[发明专利]一种多功能醛-硝酸根化学电池

说明书

本发明涉及一种多功能醛‑硝酸根化学电池，阴极电解池中的电解液中加入硝酸根离子化合物，在反应输出端或反应后电解液中收集产物氨；阳极电解液中加入醛类化合物，在反应输出端或反应后电解液中收集酸类产物；所述阳极自发进行醛类氧化反应，阴极发生硝酸根还原反应，阳极甲醛的氧化及阴极硝酸根离子的还原之间的电势差产生定向移动的电子，在外电路形成电流。本发明利用阳极醛氧化反应，耦合阴极硝酸根离子还原反应，在温和条件下实现发电、醛类氧化和硝酸根还原于一体的功能性新型化学电池。

技术领域

本发明属于化学品转化和污染物去除相关的化学电池领域，涉及一种多功能醛-硝酸根化学电池。

背景技术

甲醛(HCHO)是一种较高毒性物质，易溶于水，被世界卫生组织确定为致癌、致畸物质，常见于室内空气污染及工业废水中。目前，去除甲醛的方式主要包括吸附(活性炭、氧化铝和陶瓷材料)、光催化氧化、等离子体技术和芬顿试剂氧化法等。其中，活性炭等吸附剂对HCHO物理吸附受到材料的最大吸附能力、相对湿度或吸水失活等因素的限制；光催化氧化可能导致有毒副产物；芬顿试剂法是高浓度HCHO废水预处理采用最多的方法，但芬顿氧化法消耗大量的氧化剂，成本高，还存在二次污染问题。通过电催化氧化实现HCHO到甲酸(HCOOH)的转化不会形成有害副产物或二次污染物，也可通过筛选合适的催化剂将HCHO直接氧化为CO₂以有效去除空气中的HCHO污染物。因此，电催化氧化HCHO是一种极具前景的去除HCHO污染物的方式。此外，将其他醛类化合物催化氧化为酸类化合物同样具有广泛的应用，例如，专利CN114653390A将5-羟甲基糠醛通过电催化氧化的方式转化为2,5-呋喃二甲酸；将电催化甲醛氧化代替电解水过程中的阳极析氧反应，可在消耗更少电能的条件下，同时在阴阳极均产出氢气(Nature Communication 2023,14,525)。相比于热催化方法，电催化HCHO氧化技术具有反应条件温和、操作简单、能量利用率高等优势。

氨(NH₃)是现代社会中的一种多用途的基础化合物，涉及化学合成、肥料、燃料和清洁能源载体等诸多领域。据统计，每年工业生产NH₃超过1.5亿吨，并且其需求量还在不断增长。目前工业化合成氨的方法是以气相N₂和H₂为原料的合成氨工艺(Haber-Bosch法)，然而，Haber-Bosch法合成氨存在条件苛刻(～500℃，100atm)、对设备要求高、能耗高、转化率低等问题，其能耗超过每年全球能耗的2％。电催化N₂还原合成NH₃是一种清洁的合成氨方式，但由于N≡N的高稳定性，电催化N₂还原合成NH₃的产率和电流密度都较低，相比之下，N＝O键解离能较低(204kJ mol^-1)，通过电催化硝酸根还原(NO₃^-RR)可实现更快的NH₃产生速率(Nature Nanotechnology2022,17,759–767)，同时工作条件温和、设备简化、碳排量极少。硝酸根(NO₃^-)是一种丰富的氮源，存在于工业废水和受污染的地下水中，硝酸盐在水中将会对人类及其环境产生不利影响，因此，利用电催化NO₃^-还原可同时缓解工业合成氨面临的生产压力以及治理水体中硝酸盐污染。