[发明专利]一种酸性阳离子交换膜膜电极组件及应用

说明书

本发明提供一种酸性阳离子交换膜膜电极组件及应用，为一种酸性阳离子交换膜条件下应用膜电极组件测试电催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）的方法，主要包括阴极催化电极制备，阳极催化电极制备，阳离子交换膜的选择，电解液配置和膜电极组件组装。现有体系下，碳酸盐沉积严重、CO₂利用率不超过50%。本发明通过改变体系，使得在酸性条件下阳极的质子通过阳离子交换膜中和阴极产生的HCO₃^‑/CO₃^2‑，来解决碳酸盐沉积问题；另外，阳离子交换膜也会抑制HCO₃^‑/CO₃^2‑穿梭，减少CO₂交叉，提升利用率。

技术领域

本发明属于电催化CO₂还原技术领域，具体涉及在酸性电解液阳离子交换膜条件下膜电极组件的组装与应用。

背景技术

到目前为止，电催化二氧化碳还原技术是非常具有工业化潜力的方式将CO₂转化成一氧化碳（CO）、甲酸、乙醇、乙烯、乙酸等碳基燃料，从而减少人们对化石燃料的依赖。近年来，科研人员发展一系列性能优异的电催化剂来提升各种产物选择性和稳定性，同时也创新和改进了电解池的设计。新型电解池不受CO₂溶解度的制约，因此能显著提升电流密度（~ 200 mA cm^-2）和稳定性能（~ 100 h），来满足商业化规模的要求。

新型电解池主要包括：液流电解池（Flow cell）、膜电极组件（MEA）。这两种电解池共同点是CO₂都直接通到催化剂背面；电解质膜将催化剂和电解液隔开；依赖电子和质子传递进行电化学反应。不同点是前者阴极和阳极都有电解液流动，而后者阴极采用加湿的CO₂为反应气体，将喷涂催化剂的阴极催化电极直接压在膜上进行反应。液流电解池稳定性较差，普遍低于50 h，而膜电极组件稳定性可以达到数百甚至上千小时。

尽管电解池的改进使得CO₂RR方向上取得重大突破，但是随着研究深入也发现了许多问题，较为主要的是碳酸盐（HCO₃^-/CO₃^2-）沉积在阴极流道内，堵塞气体传输路径，导致气液不平衡，因而损坏阴极催化电极迫使反应无法进行，以及CO₂从阳极逃逸，这造成至少50% CO₂原料未被利用，降低原料利用率，带来巨大能量损失。现有技术为了将碳酸盐带出电解池，从而缓解盐沉积带来的不利影响，大都采用CO₂流速在80～200 sccm范围内，但是，高流速也造成能被利用的CO₂极低，仅有5%左右，大部分CO₂都未参加反应直接被阴极带出或者交叉到阳极。因此，需要开发一种新的膜电极组件来解决上述问题。

发明内容

为了解决电催化还原CO₂器件方面存在的碳酸盐沉积严重，CO₂利用率低等挑战，本发明采用一种酸性阳离子交换膜膜电极组件来减少CO₂交叉，具体技术方案如下：

一种酸性阳离子交换膜膜电极组件，包括阴极催化电极、阳极催化剂电极、阳离子交换膜、酸性电解液、膜电极组件；所述阴极催化电极包括气体扩散层、阴极催化剂、阴离子离聚物；阳极催化剂电极包括气体扩散层、阳极催化剂和负载阳极催化剂的基底，也可不包括气体扩散层；所述阴极催化电极和阳极催化电极由阳离子交换膜隔开；所述酸性电解液为含有不同阳离子的pH7的酸性溶液；所述膜电极组件包括阳极组件、阴极组件；所述膜电极组件由盖板、集流体和流场组成，流场四周有密封垫圈。