[發(fā)明專利]一種膜法調(diào)控電化學氫泵CO2

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910544056.6
• 申請日: 2019-06-21
• 公開（公告）號: CN110311161B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設計）人: 吳雪梅;賀高紅;王云晴;張少鋒;程慧遠;范姝艾;金銳;王小舟;李祥村;肖武;姜曉濱;馮曼曼;方遠鑫
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M8/1025
• 分類號: H01M8/1025;H01M8/1088
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉;李曉亮

本發(fā)明屬于電化學工程技術(shù)領域，涉及一種膜法調(diào)控電化學氫泵CO₂加氫反應器中陰極電勢的方法。該方法采用正電荷改性的質(zhì)子交換膜替代液體緩沖層，在電化學氫泵CO₂加氫反應器外加電能時，陽極氫氣解離生成的氫質(zhì)子穿過正電荷改性的質(zhì)子交換膜，在陰極生成原位吸附氫與CO₂發(fā)生加氫反應。通過離子置換法或?qū)訉幼越M裝法在質(zhì)子交換膜中引入正電荷，膜中的正電荷在電場作用下向陰極遷移并積累，與陰極形成雙電層，調(diào)控CO₂加氫的陰極電勢，促進CO₂加氫反應。本發(fā)明利用改性膜代替液體緩沖層，能夠避免液相環(huán)境，消除界面問題，可以實現(xiàn)更高的陰極電勢；同時利用正電荷對氫質(zhì)子的Donnan排斥效應，長時間穩(wěn)定抑制析氫反應，獲得較高的CO₂加氫效率。

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于電化學工程技術(shù)領域，涉及一種膜法調(diào)控電化學氫泵CO₂加氫反應器中陰極電勢的方法。

背景技術(shù)

化石燃料作為世界能源結(jié)構(gòu)的基石，其過量燃燒已經(jīng)造成了嚴重的能源危機和全球氣候變暖。2015年，全球CO₂年排放量高達30Gt，大氣中CO₂濃度達到401ppm。捕獲和利用已排放的CO₂不僅可以消除溫室氣體，更可以合理利用地球上的碳資源。目前對于CO₂的利用主要分為兩大類，其一是直接將CO₂應用于軟飲料、食品、農(nóng)用化學品、焊接、發(fā)泡、滅火器等各行業(yè)；其二是將CO₂轉(zhuǎn)化成其他化工產(chǎn)品和能源，展現(xiàn)出廣闊的市場前景及可觀的經(jīng)濟效益。

由于CO₂分子結(jié)構(gòu)和熱力學性質(zhì)高度穩(wěn)定，通常認為CO₂加氫的控制步驟為催化劑表面上的CO₂活化產(chǎn)生CO₂^-，需要外界提供高能量。電化學加氫利用電能活化CO₂，實現(xiàn)常溫常壓操作，與傳統(tǒng)高溫高壓催化加氫方法相比顯示出優(yōu)勢。電化學氫泵反應器是一種新型的電化學反應器，用于CO₂加氫時通常帶有緩沖層，其結(jié)構(gòu)和工作原理如附圖1(a)所示，陽極氫氣解離生成的氫質(zhì)子，穿過質(zhì)子交換膜和液相緩沖層，到達陰極氣體擴散電極的催化層產(chǎn)生原位吸附氫，直接參與CO₂加氫反應。文獻In.Eng.Chem.Res.,2017,56(37):10242表明緩沖層與陰極間形成雙電層，提供CO₂加氫所需的高電勢。文獻J.Mater.Chem.A, 2015,3(6):3029表明，不加緩沖層時，電化學氫泵CO₂加氫生成甲酸等產(chǎn)物的電流效率低于5％，析氫副反應嚴重。然而，在電化學氫泵中引入液體緩沖層，雖然可以獲得較高的CO₂加氫效率，但也存在難以解決的問題，如緩沖液pH值隨反應時間增加而降低，導致析氫副反應逐漸嚴重；液體緩沖層會淹沒氣體傳遞通道，增加氫質(zhì)子及CO₂傳質(zhì)阻力；還會引起漏液、膜污染等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種膜法調(diào)控電化學氫泵CO₂加氫反應器中陰極電勢的方法，可以不加液體緩沖層實現(xiàn)CO₂高效加氫。在質(zhì)子交換膜表面引入正電荷，與陰極形成雙電層，有效地調(diào)控陰極電勢；通過調(diào)控質(zhì)子傳導能力，實現(xiàn)長時間穩(wěn)定抑制析氫；不加液體緩沖層還可減小歐姆阻力和CO₂傳質(zhì)阻力，獲得較高的加氫速率和甲酸電流效率。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：