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CN114134521A - 一种用于电催化co2还原的贯穿流场膜式反应器 - Google Patents

一种用于电催化co2还原的贯穿流场膜式反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于电催化CO2还原的贯穿流场膜式反应器，该反应器由阴极端板、阴极气体腔室、阴极贯穿流场极板、阴极气体扩散电极、多孔聚合物隔膜、析氧阳极、阳极贯穿流场极板、阳极电解液腔室、阳极端板构成，各板块之间通过螺栓和垫片挤压密封，阴阳极板与外电路连接，阴极气体腔室连接CO2气体及产物的进出管路，阳极电解液腔室连接电解液和产物的进出管路。反应器的贯穿流场极板结构实现了阳极氧气的快速脱离，解决因氧气憋压导致阳极电解液对阴极气体扩散电极催化层的渗透，同时利于阴极电解液排出，有效缓解阴极水淹问题；反应器结构可采用廉价多孔聚合物隔膜取代昂贵离子聚合物隔膜，同时实现良好的CO2电解稳定性和较高的C2H4法拉第效率。

Description

一种用于电催化CO2还原的贯穿流场膜式反应器
技术领域
本发明属于电化学催化领域，本发明涉及一种用于电催化CO2还原的贯穿流场膜式 反应器。
背景技术
化石能源(煤、石油和天然气)的大量使用造成CO2等温室气体的排放量急剧增加，引起全球气候变暖等日益严峻的环境问题。电催化CO2还原反应(CO2RR)通过利用可 再生的太阳能及风能发电、驱动CO2转化为燃料和化学品，同时实现CO2的资源化利用 和洁净电能的有效存储。在电催化CO2RR中，反应器结构关乎到CO2还原过程中反应 物(CO2，H2O)与离子等物质的供给传输过程，对气液固三相反应界面的形成、体系 稳定性及能量转化效率(ECE)至关重要。
目前CO2RR催化剂的性能研究主要以传统两腔室电解池体系为主，即依靠溶解在水系电解液中的CO2发生反应，但水溶液中CO2溶解度低，而且CO2在液相中的扩散 路径较长，催化过程受限于CO2传质步骤，活性难以提升，即使通过磁力搅拌增加扰动 传质，电流密度也难以达到100mA cm-2。为解决CO2传质受限的问题，发展了包含阴 阳极电解液腔室和CO2气腔的三腔室流动电解池，通过气体扩散电极策略，将CO2气体 直接传输到催化层中参与反应，避免了传统反应体系CO2传输供给受限的问题，电流密 度可得到显著提升(>200mAcm-2)。三腔室流动电解池体系满足了基础研究的需求， 但较大的阴阳极间距引起大的体系内阻，在大电流运行时会引起欧姆极化能量损失急剧 增加，因此能量转化效率较低；此外，长时间运行过程中催化层容易发生水淹及结晶盐 阻塞，CO2传输路径受阻，引起严重的析氢副反应，CO2转化速率显著下降。针对体系 内阻大的问题，研究者通过借鉴燃料电极结构，将阴阳极催化层与聚合物电解质膜紧密 压合，一体化的膜电极结构可大幅减小体系内阻，但该体系需要开发高效稳定碱性聚合 物电解质膜(碱性膜依旧是碱性燃料电池发展的制约因素)，此外同样存在催化层容易 发生水淹的难题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于电催化CO2还原的 贯穿流场膜式反应器，用于解决现有反应器技术存在的上述一系列的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于电催化CO2还原的贯穿流场 膜式反应器，包括：
阴极端板、阴极气体腔室、阴极贯穿流场极板、阴极气体扩散电极、多孔聚合物隔膜、析氧阳极、阳极贯穿流场极板、阳极电解液腔室、阳极端板；
各板块之间通过螺栓和垫片挤压密封，阴阳极板与外电路连接，阴极气体腔室连接 CO2气体及产物的进出管路，阳极电解液腔室连接电解液和产物的进出管路。
可选地，阴极端板、阴极气体腔室板、阳极电解液腔室板和阳极端板的材质可采用聚四氟乙烯(PTFE)、有机玻璃和聚醚醚酮中的一种或几种。
可选地，阴极极板和阳极极板的材质可采用不锈钢、钛板和石磨板中的一种或几种。
可选地，阴极极板和阳极极板采用贯穿流场结构，所述贯穿流场结构采用等间距矩 形孔，矩形孔宽1.5mm左右，开孔面积比例在50％左右。
可选地，多孔聚合物隔膜材质采用耐强酸碱的亲水型多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜，所述多孔聚合物隔膜的孔径范围包括0.1μm-5μm。
可选地，阴极气体扩散电极采用碳纸层、微孔层及催化层一体化的结构，所述阴极气体扩散电极的微孔层PTFE质量含量范围包括10-60％。
本发明提供一种贯穿流场膜式反应器，贯穿流场膜式反应器由上述设计方法构筑而 成。
本发明提供一种贯穿流场膜式反应器的应用，贯穿流场膜式反应器由上述设计方法 构筑而成，且所述贯穿流场膜式反应器应用于电催化CO2还原制备C2H4。
可选地，贯穿流场膜式反应器电催化CO2还原制备C2H4的工艺采用商业化Cu粉催化剂，其中，贯穿流场膜式反应器中Cu电催化CO2还原的C2H4法拉第效率为37％ (～3V)。
如上所述，本发明的用于电催化CO2还原的贯穿流场膜式反应器，反应器由阴极端板、阴极气体腔室、阴极贯穿流场极板、阴极气体扩散电极、多孔聚合物隔膜、析氧阳 极、阳极贯穿流场极板、阳极电解液腔室、阳极端板构成，各板块之间通过螺栓和垫片 挤压密封，阴阳极板与外电路连接，阴极气体腔室连接CO2气体及产物的进出管路，阳 极电解液腔室连接电解液和产物的进出管路。所述反应器的贯穿流场极板结构协同多孔 聚合物隔膜结构实现了阳极氧气的快速脱离与阴极电解液排出，有效缓解阴极水淹问 题；所述反应器结构可实现廉价多孔聚合物隔膜取代昂贵离子聚合物隔膜，同时实现良 好的CO2电解稳定性和较高的能量转化效率。
附图说明
图1显示为本发明中贯穿流场膜式反应器的结构图。
图2显示为实施例1中贯穿流场膜式反应器的贯穿流场极板结构图。
图3显示为实施例1中贯穿流场极板与多孔聚合物隔膜协同实现O2脱离与液体排出示意图。
图4显示为实施例2中聚合物电解质膜反应器(a,b)和贯穿流场膜式反应器(c,d)3V槽压电解CO2还原的性能图。
图5显示为实施例2中分别采用AT-1阴离子交换膜和0.45μm孔径亲水型PFFE聚 合物膜时贯穿流场膜式反应器3V槽压电解CO2还原的性能。
图6显示为实施例2中采用不同孔径大小亲水型PFFE聚合物膜时贯穿流场膜式反应器150mA cm-2恒电流电解CO2还原的性能。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本 发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采 用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的 情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式 中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此 不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间 尺寸。
如图1，本实施例提供一种用于电催化CO2还原的贯穿流场膜式反应器，本实施例采用贯穿流场极板结构实现了阳极氧气的快速脱离与阴极电解液的快速排出，有效缓解阴极水淹问题；本实施例通过廉价多孔聚合物隔膜取代昂贵离子聚合物隔膜，同时实现 良好的CO2电解稳定性和较高的法拉第效率。此反应器包括阴极端板1、阴极气体腔室2、阴极贯穿流场极板3、阴极气体扩散电极4、多孔聚合物隔膜5、阳极端板6、阳极 电解液腔室7、阳极贯穿流场极板8、析氧阳极9构成，各板块之间通过垫片10和螺栓 11密封。阴极气体腔室2连接气体进入管路12和气体排出管路13，阳极电解液腔室7 连接液体进入管路14和液体排出管路15。多孔聚合物隔膜5位于阴极气体扩散电极4 和多孔析氧阳极9之间，起三个作用：(1)绝缘作用，隔绝阴阳极；(2)电解液及离子 的输运传递；(3)阻挡阴级气体到阳极的扩散。阴极极板3和阳极极板8连接外电路， 起到集流的作用。阴极贯穿流场极板3的贯穿流场结构允许CO2气体通过阴极气体扩散 电极4的气体扩散层、微孔层扩散至阴极催化层，同时有利于阴极催化层中累积的电解 液从阴极腔室排出，阳极极板8的贯穿流场结构允许阳极电解液的流通和阳极产物O2的及时排出，而O2的流畅排出可防止阳极气体憋压的形成，缓解阳极电解液快速渗入 阴极催化层而导致的水淹问题。
作为示例，阴极端板1、阴极气体腔室5、阳极电解液腔室6和阳极端板2的材质 可采用聚四氟乙烯(PTFE)、有机玻璃和聚醚醚酮中的一种或几种，可根据应用环境及 具体需要进行选择。
作为示例，所述阴极极板1和阳极极板2的材质可采用不锈钢、钛板和石磨板中的一种或几种，具体可根据需要进行选择。
作为示例，所述阴极极板1和阳极极板2采用贯穿流场结构，所述贯穿流场结构采用等间距矩形孔，矩形孔宽1.5mm左右，开孔面积比例在50％左右。
作为示例，多孔聚合物隔膜7的材质采用可耐强酸碱的多孔聚四氟乙烯(PTFE)、膜，所述多孔聚合物隔膜的孔径范围包括0.1μm-5μm。
作为示例，阴极气体扩散电极8采用碳纸层、微孔层及催化层一体化的结构，所述阴极气体扩散电极的微孔层PTFE质量含量范围包括10-60％。
本实施例提供一种贯穿流场膜式反应器，所述贯穿流场膜式反应器采用上述设计构 筑而成。本实施例构筑的贯穿流场膜式反应器通过贯穿流场极板与多孔聚合物隔膜的协 同作用，可缓解阴极水淹的问题，且具备低的体系内阻，同时低廉的多孔聚合物隔膜替代离子聚合物膜，大幅降低反应器的成本。
本实施例还提供一种贯穿流场膜式反应器电催化CO2还原的应用，所述贯穿流场膜 式反应器采用上述设计方法构筑而成，且所述贯穿流场膜式反应器电催化CO2还原采用商业化Cu催化剂制备C2H4。本实施例中，贯穿流场膜式反应器中商业化Cu电催化CO2还原的C2H4法拉第效率为37％(～3V)。
以下通过具体的实施例，以进行进一步的说明：
实施例1
以商业化Cu粉为阴极催化剂制备阴极气体扩散电极4，具体步骤如下：称取20mg的商业化Cu粉和100mg Nafion溶液(5wt.％)，后加入1mL乙醇，超声分散均匀后喷 涂于带微孔层的碳纸气体扩散层(日本东丽)上，控制加热平台温度为60℃，不锈钢模 板控制喷涂有效面积为4cm2，称重法确定催化层金属载量为1±0.1mg/cm2。其中，气体 扩散层碳纸一侧通过刷涂PTFE乳液贴附厚度为8μm、孔径为0.3μm的PTFE膜进一步 增强气体扩散电极的疏水性。
测试工艺：以泡沫NiFe氧化物电极为析氧电极9，以0.45μm孔径亲水型PFFE聚 合物膜为多孔聚合物隔膜5，采用图2的贯穿流场极板结构，按照图1组装反应器电解 测试，阴极气体腔室2通过气体进口管路12通入高纯CO2气体，并用质量流量计在气 体进口管路12上控制气体流速为80sccm，采用皂膜流量计在气体出口管路13上测定 气体出口流速，气相产物浓度由气相色谱测定，用于气相法拉第效率的计算。通过蠕动 泵循环在阳极电解液(1M KOH溶液)进口管路15上泵入阳极电解液，控制流速为 5mL/min。
图4a-b和图4c-d分别对应为采用AT-1阴离子交换膜的传统聚合物电解质膜反应器 和采用0.45μm孔径亲水型PFFE聚合物膜的贯穿流场膜式反应器在电解CO2还原时的 性能。相比传统聚合物电解质膜反应器，贯穿流场膜式反应器在相同槽压(3V)下能够 取得更大的电流密度、电解稳定性和C2H4选择性，而且在3V槽压反应1小时，FEH2和FEC2H4维持稳定，FEC2H4达37％。
图5a-c为在贯穿流场膜式反应器中分别采用AT-1阴离子交换膜和0.45μm孔径亲水型PFFE聚合物膜时电解CO2还原的性能。采用阴离子交换膜时的FEH2更大，FEC2H4不到20％，而贯穿流场极板结构协同多孔PFFE聚合物膜可取得更大的活性和C2H4选 择性(图5a)。
实施例2
采用实施例1中的气体扩散电极制备方法及测试工艺。
图6为在贯穿流场膜式反应器中采用不同孔径大小的亲水型PFFE聚合物膜时商业化Cu粉电催化CO2还原的性能，发现适中的膜孔径(0.45～1.2um)条件下，150mA cm-2恒电流电解时，H2法拉第效率抑制在20％左右，FEC2H4达35％左右，而采用过小孔径 隔膜影响离子传递过程、多大孔径隔膜导致阴极电解液渗透过快，H2的法拉第效率有所 上升。

Claims (8)

1.一种用于电催化CO2还原的贯穿流场膜式反应器，其特征在于，包括：
阴极端板、阴极气体腔室板、阴极贯穿流场极板、阴极气体扩散电极、多孔聚合物隔膜、析氧阳极、阳极贯穿流场极板、阳极电解液腔室板、阳极端板；
各板块之间通过螺栓和垫片挤压密封，阴阳极板与外电路连接，阴极气体腔室连接CO2气体及产物的进出管路，阳极电解液腔室连接电解液和产物的进出管路；
贯穿流场极板结构与多孔聚合物隔膜结构协同用于阳极氧气的快速脱离及阴极电解液的排出；贯穿流场极板结构中，阴极贯穿流场极板的贯穿流场结构允许CO2气体通过阴极气体扩散电极的气体扩散层、微孔层扩散至阴极催化层，用于阴极催化层中累积的电解液从阴极腔室排出，阳极极板的贯穿流场结构允许阳极电解液的流通和阳极产物O2的及时排出，用于缓解阳极电解液快速渗入阴极催化层。
2.根据权利要求1所述的贯穿流场膜式反应器，其特征在于：阴极端板、阴极气体腔室板、阳极电解液腔室板和阳极端板的材质均采用聚四氟乙烯、有机玻璃和聚醚醚酮中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的贯穿流场膜式反应器，其特征在于：阴极极板和阳极极板的材质均采用不锈钢、钛板和石磨板中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的贯穿流场膜式反应器，其特征在于：贯穿流场结构采用等间距矩形孔，矩形孔宽1.5mm，开孔面积比例在50％。
5.根据权利要求1所述的贯穿流场膜式反应器，其特征在于：多孔聚合物隔膜材质采用耐强酸碱的亲水型多孔聚四氟乙烯(膜。
6.根据权利要求5所述的贯穿流场膜式反应器，其特征在于：多孔聚合物隔膜的孔径范围包括0.1μm-5μm。
7.根据权利要求1所述的贯穿流场膜式反应器，其特征在于：阴极气体扩散电极采用碳纸层、微孔层及催化层一体化的结构。
8.根据权利要求7所述的阴极气体扩散电极，其特征在于：阴极气体扩散电极的微孔层PTFE质量含量范围包括10-60％。
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