[实用新型]一种电化学还原二氧化碳反应用电解池

说明书

技术领域

本实用新型属于二氧化碳电化学还原技术领域，特别涉及一种电化学还原二氧化碳反应用电解池。

背景技术

电化学还原CO₂(ERC)技术是利用电能将CO₂还原为各种有机化学品，实现CO₂资源化利用的一种技术。与其他CO₂转化技术相比，ERC技术的突出优势在于可利用水作为反应的氢源，在常温常压下即可实现CO₂的高效转化，因此不需要化学转化技术所需的制氢及加温、加压所造成的能量消耗，设备投资少。

目前，在CO₂电化学研究中使用的电解池为常规H型，如文献J Appl Electrochem(2008)38:1721–1726和舰船科学技术(2009)31(7)：108-111等报道。在H型电解池中，阴极腔和阳极腔通过一张离子交换膜相连通。CO₂以鼓泡方式通入阴极腔中，溶解在电解液中的CO₂再扩散至电极表面，发生电化学还原反应。测试发现，CO₂在不同溶剂中的溶解度差异很大，常温下、在以水作为溶剂的近中性电解质中的溶解度仅为0.033M，相当于甲醇中溶解度的1/2，比其在离子液体中的溶解度低10倍以上，而在酸性电解质水溶液中，CO₂的溶解度更低。当电化学反应电流较大时，电极表面将会出现严重的传质极化，伴随着竞争性的析氢副反应加剧，直接导致ERC效率的大幅度降低。

为缓解ERC反应过程中的传质极化问题，研究人员提出采用气体扩散电极或将溶剂水更换为有机溶剂(如甲醇，四氢呋喃，二甲基甲酰胺，以及离子液体，如1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(BMIM PF6)或四氟硼酸盐(BMIM BF4))等方法，从而达到大幅拓展电极面积、增加CO₂溶解度的作用。文献Korean J.Chem.Eng.,16(6),829-836(1999)报道的以聚四氟乙烯(PTFE)作为粘结剂制备的Cu基GDE上产物C₂H₄的法拉第效率达到约25％。文献J Solid State Electrochem(2007)11:490–495报道，使用以甲醇为溶剂的NaOH电解液作为阴极电解液，电解电位为-4.0V(相对于Ag/AgCl电极)条件下碳氢化合物的最高法拉第效率达到80.6％，而析氢副反应受到显著抑制，H₂的法拉第效率低于4％。文献Applied Surface Science28(12):5005-5009(2012)报道，采用BMIM BF4作为电解质，以三维多孔纳米结构电极(相当于GDE)做阴极，不仅将ERC反应过电位降低近180mV，获得了83％的电流效率，而且经过5次测试，电极的性能保持恒定。

气体扩散电极虽然能一定程度上缓解传质极化，但依然受到CO₂在水溶液中低溶解度的限制，而且析氢副反应还会随着反应面积的增大而加剧，从而不能有效提高CO₂的转化率。而使用有机溶剂，包括离子液体等作为阴极电解质，不仅成本高昂，而且有些试剂具有毒性，涉及环保问题，不适用于大规模应用。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提出了一种能提高电极表面CO₂浓度的ERC反应用电解池。在该电解池中，反应气体CO₂必须从阴极下表面传输至上表面后，再作为尾气排出电解池，从而保证了阴极表面CO₂的浓度均匀，不受CO₂在电解质中溶解度的限制；阴极为多孔结构，确保CO₂气体顺畅通过。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种电化学还原二氧化碳反应用电解池，由阴极室、阳极室和气液分离器三部分构成；

阴极室分为上下两个腔体，下腔体为上端开口的容器，上腔体为下端开口的容器，上腔体置于下腔体的上方，于两个腔体的开口端均设有第一法兰盘，两个腔体通过第一法兰盘连接；

工作电极位于上下两个腔体开口端的第一法兰盘之间，其二侧分别与上下两个腔体相连通；参比电极通过Luggin毛细管伸入阴极室的上腔体内，位于上腔体内的Luggin毛细管的末端位于工作电极正上方5～20mm的位置；

于下腔体上设有二氧化碳气体入口，二氧化碳气体从下腔体流经工作电极后进入上腔体，于上腔体上设有二氧化碳气体出口；