[發明專利]一種酸性陽離子交換膜膜電極組件及應用

在審

• 申請號: 202210626499.1
• 申請日: 2022-06-02
• 公開（公告）號: CN114941148A
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發明（設計）人: 李彥光;王昱沆;范佳;潘斌斌
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: C25B9/19
• 分類號: C25B9/19;C25B1/23;C25B3/07;C25B3/03;C25B3/26;C25B11/032;C25B13/02;C25B15/08;C25B15/023
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒;孫周強

本發明提供一種酸性陽離子交換膜膜電極組件及應用，為一種酸性陽離子交換膜條件下應用膜電極組件測試電催化二氧化碳還原反應（CO₂RR）的方法，主要包括陰極催化電極制備，陽極催化電極制備，陽離子交換膜的選擇，電解液配置和膜電極組件組裝。現有體系下，碳酸鹽沉積嚴重、CO₂利用率不超過50%。本發明通過改變體系，使得在酸性條件下陽極的質子通過陽離子交換膜中和陰極產生的HCO₃^?/CO₃^2?，來解決碳酸鹽沉積問題；另外，陽離子交換膜也會抑制HCO₃^?/CO₃^2?穿梭，減少CO₂交叉，提升利用率。

技術領域

本發明屬于電催化CO₂還原技術領域，具體涉及在酸性電解液陽離子交換膜條件下膜電極組件的組裝與應用。

背景技術

到目前為止，電催化二氧化碳還原技術是非常具有工業化潛力的方式將CO₂轉化成一氧化碳（CO）、甲酸、乙醇、乙烯、乙酸等碳基燃料，從而減少人們對化石燃料的依賴。近年來，科研人員發展一系列性能優異的電催化劑來提升各種產物選擇性和穩定性，同時也創新和改進了電解池的設計。新型電解池不受CO₂溶解度的制約，因此能顯著提升電流密度（~ 200 mA cm^-2）和穩定性能（~ 100 h），來滿足商業化規模的要求。

新型電解池主要包括：液流電解池（Flow cell）、膜電極組件（MEA）。這兩種電解池共同點是CO₂都直接通到催化劑背面；電解質膜將催化劑和電解液隔開；依賴電子和質子傳遞進行電化學反應。不同點是前者陰極和陽極都有電解液流動，而后者陰極采用加濕的CO₂為反應氣體，將噴涂催化劑的陰極催化電極直接壓在膜上進行反應。液流電解池穩定性較差，普遍低于50 h，而膜電極組件穩定性可以達到數百甚至上千小時。

盡管電解池的改進使得CO₂RR方向上取得重大突破，但是隨著研究深入也發現了許多問題，較為主要的是碳酸鹽（HCO₃^-/CO₃^2-）沉積在陰極流道內，堵塞氣體傳輸路徑，導致氣液不平衡，因而損壞陰極催化電極迫使反應無法進行，以及CO₂從陽極逃逸，這造成至少50% CO₂原料未被利用，降低原料利用率，帶來巨大能量損失。現有技術為了將碳酸鹽帶出電解池，從而緩解鹽沉積帶來的不利影響，大都采用CO₂流速在80～200 sccm范圍內，但是，高流速也造成能被利用的CO₂極低，僅有5%左右，大部分CO₂都未參加反應直接被陰極帶出或者交叉到陽極。因此，需要開發一種新的膜電極組件來解決上述問題。

發明內容

為了解決電催化還原CO₂器件方面存在的碳酸鹽沉積嚴重，CO₂利用率低等挑戰，本發明采用一種酸性陽離子交換膜膜電極組件來減少CO₂交叉，具體技術方案如下：

一種酸性陽離子交換膜膜電極組件，包括陰極催化電極、陽極催化劑電極、陽離子交換膜、酸性電解液、膜電極組件；所述陰極催化電極包括氣體擴散層、陰極催化劑、陰離子離聚物；陽極催化劑電極包括氣體擴散層、陽極催化劑和負載陽極催化劑的基底，也可不包括氣體擴散層；所述陰極催化電極和陽極催化電極由陽離子交換膜隔開；所述酸性電解液為含有不同陽離子的pH7的酸性溶液；所述膜電極組件包括陽極組件、陰極組件；所述膜電極組件由蓋板、集流體和流場組成，流場四周有密封墊圈。