[發明專利]一種H型固定床二氧化碳還原電解池及應用

有效

• 申請號: 202010189480.6
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111304672B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 毛慶;曹自強;郭唱;劉松;徐可一;毛媛欣;李冰玉;趙健;黃延強
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C25B1/00
• 分類號: C25B1/00;C25B3/26;C25B9/19;C25B11/075;C25B11/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 陳玲玉

本發明公開了一種H型固定床二氧化碳還原電解池及應用。該電解池包括陽極組件、陰極組件以及分割兩者的電解質膜三部分，適用于顆粒狀CO₂RR催化劑的電化學活性測試、氣相產物分析與液相產物分析。其陽極組件由陽極腔室、析氧陽極以及用于陽極固定與陽極室密封的連接件構成；陰極組件由陰極腔室、參比電極、固定床蓋、流體分布器、顆粒狀電催化劑、固定床腔體、固定床底座、集流體以及實現陰極室密封與電極固定的連接件構成。其中，固定床陰極主體單元包括。該電解池的結構優勢不僅在于其豐富的三維陰極網絡，而且還可而是借助富CO₂電解質的高速流動實現反應物CO₂的及時供給以及電極溶液界面離子濃度的穩定，在CO₂RR領域具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于二氧化碳電化學還原技術領域，涉及一種H型固定床二氧化碳還原電解池及應用。

背景技術

CO₂電還原反應(CO₂RR)可在常壓、近常溫環境下將CO₂直接轉化為燃料與有用化學品，是實現自然界“碳循環”、緩解諸多環境問題的關鍵技術。然而，CO₂RR技術的現實應用不僅需要活性好、選擇性高的電催化劑、高效穩定的反應界面，更需具有一定處理規模、高時空轉化效率的電化學反應器——電解池。

Whipple等(Electrochemical and Solid-State Letters,2010,13(9),B109-B111)設計了僅以KHCO₃液層為電解質的CO₂RR電解池，其結構優勢在于在電極間距僅為1mm的空間內，應用微通道技術為液態電解質構建了流動通道。然而，Whipple等同樣指出：存在于電解質液層中的還原產物(甲酸、乙醇等)在反應中會通過擴散、對流等方式不可避免的遷移至陽極而被重新氧化，進而導致CO₂還原單池總效率的下降。Yongmin等(Journal ofthe Electrochemical Society,2015,162(4)，F397-F402.)以YSZ為電解質、鍶摻雜鑭系元素(LSM)為陽極、Ag-GDC(釓摻雜二氧化鈰)金屬陶瓷為陰極，制備了管狀CO₂RR高溫電解池。聚合物電解質膜(PEM)可選擇性地傳輸陰離子或陽離子，相對致密的PEM結構能有效降低了反應物與產物在陰、陽極間的遷移。當前，用于MEA構型CO₂RR反應器的PEM有三種：陽離子交換膜(CEM)、陰離子交換膜(AEM)與雙極膜(BPM)。Delacourt等(Journal of theElectrochemical Society,2008,155(1),B42-B49.)最先嘗試應用由117膜、Pt/Ir合金陽極和碳載銀陰極構建燃料電池構型(fuel-cell-type)MEA。其在25℃、電流密度為20mA·cm^-2，CO₂RR無產物轉化，副產H₂的法拉第效率近100％。為此，該研究團隊在陰極氣體擴散層(GDL)和CEM之間引入了浸漬有KHCO₃溶液的玻璃纖維薄層，構建具有緩沖層結構(buffer-layer-type)的MEA。其在電流密度為20mA·cm^-2時，CO₂RR制備CO的法拉第效率可達82％。我們的研究團隊(電化學，2019，DOI:10.13208/j.electrochem.190305.)深入分析了Buffer-layer-type型MEA在運行中存在的“可逆”和“不可逆”衰減，提出保持KHCO₃電解質流動的連續性是降低CO₂RR電解池“可逆衰減”的有效方法。