一种阴极电极组合件、电解槽装置、电催化碳酸氢盐转化的方法及应用

技术领域

本发明涉及一种阴极电极组合件、电解槽装置、电催化碳酸氢盐转化的方法及应用，属于CO

背景技术

碳排放问题受到全球关注。利用清洁能源驱动电催化CO

碳酸氢盐电解槽可以通过集成CO

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中，利用电解槽催化碳酸氢盐水溶液转化产乙烯过程中因CO

本发明的另一目的还在于提供上述电解槽装置用于电催化碳酸氢盐转化制备乙烯的应用。

技术方案

本发明提供了如下方案：方案一是提供了一种阴极电极组合件，在阴极电极两侧分别设置疏水层和阴离子聚合物凝胶层，该组合件通过疏水层实现通过CO

一种阴极电极组合件，包括阴极电极以及分别设于阴极电极两侧的疏水层和阴离子聚合物凝胶层，所述阴极电极包括导电基底和设在导电基底上的催化剂层，所述催化剂层位于导电基底和阴离子聚合物凝胶层之间，所述催化剂为能够催化CO

该阴极电极组合件用于电解槽中进行电催化碳酸氢盐转化制备乙烯时，阴极液穿过所述疏水层侧至所述阴极电极片处发生还原反应，所述阴离子聚合物凝胶层用于阻挡阴极电极处的OH-扩散，为所述还原反应提供碱性环境。

作为优选，所述阴极电极为薄片结构，即阴极电极片，阴极电极的具体形式可以是碳纸上负载催化剂层，也可以是金属网上负载催化剂层。

作为优选，所述阴离子聚合物凝胶层的材料为聚苯乙烯磺酸钠、丙烯酸钠、甲基丙烯酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸或全氟磺酸基聚合物凝胶材料。该类材料具有良好的离子导电性，使器件具有较低的电阻，能量损失小。

作为优选，所述疏水层的材料为PTFE或PVDF。

作为优选，所述疏水层厚度为5-100μm，更优选为20-50μm；所述阴离子聚合物凝胶层厚度为100-1000μm，更优选为200-500μm。

作为优选，所述催化剂为含铜基催化剂，优选为单原子铜催化剂、铜分子类催化剂、铜金属、铜和其它金属的合金、铜的氧化物等催化剂；上述催化剂可以颗粒或粉末状负载在所述导电基底上。具体的负载方式可通过以下方法制得：将碳纳米管负载的铜酞菁分子分散在乙醇溶液中获得溶液一，将溶液一滴在亲水碳纸基底或其它导电基底上，晾干制得。

该阴极电极组合件中，疏水层和阴离子聚合物凝胶层分别置于阴极电极两侧，该设置可通过流道结构将与H

一种电解槽装置，包括阳极区、阴极区以及将所述阳极区和阴极区分隔开的隔膜；所述阳极区包括与阳极液作用产生H

所述阴极区包括上述阴极电极组合件以及设有阴极液进口和出口的阴极板，阴极液为碳酸氢盐溶液，能够与H

具体地，第一流道将未反应的碳酸氢盐阴极液引流至隔膜处发生如下反应：

HCO

反应后的阴极液与CO

2CO

所述第三流道将反应后的阴极液和/或气体产物导出。三流道设置使阴极液定向流动，便于控制阴极液的反应顺序及反应位置，三流道中的第一流道使阴极液首先在隔膜处即H

作为优选，所述隔膜为阳离子交换膜或双极膜，两种隔膜均可将H

作为优选，所述阳极液为水或盐溶液或酸碱溶液。若隔膜为阳离子隔膜，阳极液可以是纯水、盐酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液等。阳极反应式为：2H

作为优选，所述阴极区还包括第一导流垫片和第二导流垫片，第一导流垫片、阴极电极组合件、第二导流垫片和阴极板依次贴合，所述第一导流垫片的另一面与隔膜贴合；所述第二导流垫片上设有第一孔道、第二孔道、第三孔道和第一腔室，第一孔道位于第一腔室上方，且与阴极板上阴极液进口连通，第二孔道位于第一腔室下方，且通过设置在第二导流垫片上的第三通道与第一腔室连通，所述第三孔道位于第一腔室侧边，且通过设置在第二导流垫片上的第四通道与第一腔室连通，第三孔道与阴极板上阴极液出口连通；所述第一导流垫片上设有第四孔道、第五孔道和第二腔室，第四孔道位于第二腔室上方，其与第一孔道连通，且通过设置在第一导流垫片上的第一通道与第二腔室连通，第五孔道位于第二腔室下方，且通过设置在第一导流垫片上的第二通道与第二腔室连通；所述阴极电极组合件完全覆盖第一腔室、第二腔室的开口，但不覆盖第一孔道、第二孔道、第三孔道、第四孔道和第五孔道的开口。

使用时，阴极液流动方向为：由阴极液进口进入，经第一流道结构，具体地，由第一孔道、第四孔道、第一通道至第二腔室，第二腔室连通隔膜，阴极液流至第二腔室后与H

作为优选，第一腔室和第二腔室均为通腔，阴极电极组合件面积与第一腔室、第二腔室截面积相当，且阴极电极组合件覆盖第一腔室、第二腔室的开口。

一种电催化碳酸氢盐转化的方法，包括如下步骤：

(1)采用上述电解槽装置，阳极液从阳极板上的阳极流道引流至阳极电极处，作用后产生H

(2)产生的CO

该方法中，阴极液首先被引流至隔膜处，发生反应释放CO

作为优选，所述阴极液的流速控制在1-20cm s

上述电解槽装置用于电催化碳酸氢盐转化制备乙烯的应用。

本发明的有益效果：

1)本发明中通过在阴极电极的一侧设置阴离子聚合物凝胶层，该凝胶层一方面可以导通K

2)本发明通过在阴极电极的另一侧设置疏水层，疏水层具有优越的气体透过性，可以保证CO

3)本发明中通过设置流道结构使阴极液定向流动，在特定的位置发生特定的反应，避免不同反应程度的溶液混合降低反应效率；通过设置流道使碳酸氢盐电解液通入阴极室的内部后会与隔膜上产生的H

4)本发明通过对器件的改进，可以实现大电流密度下高选择性产乙烯，其具有高的法拉第效率，为碳酸氢盐电解槽在工业化CO

附图说明

图1为实施例1中阴极电极组合件的结构示意图；

图2为实施例2中电解槽装置的结构图；

图3为实施例2中第一导流垫片的结构示意图，展示方位与图2所示方位相同；

图4为实施例2中第二导流垫片的结构示意图，展示方位与图2所示方位相同；

图5为采用实施例2的电解槽装置电催化碳酸氢盐转化制备乙烯时在不同电流密度下的电压-时间曲线图；

图6为采用实施例2的电解槽装置电催化碳酸氢盐转化制备乙烯时在不同电流密度下的产物分布图；

图中，1-阳极板；101-阳极流道；2-阳极电极；3-隔膜；4-第一导流垫片；401-第四孔道；402-第五孔道；403-第一通道；404-第二通道；405-第二腔室；5-阴极电极组合件；501-疏水层；502-导电基底；503-催化剂层，504-阴离子聚合物凝胶层；6-第二导流垫片；601-第一孔道；602-第二孔道；603-第三孔道；604-第三通道；605-第四通道；606-第一腔室；7-阴极板；701-阴极液进口；702-阴极液出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围不受具体实施例的限制。

实施例1

如图1所示，一种阴极电极组合件，包括阴极电极以及分别设于阴极电极两侧的疏水层501和阴离子聚合物凝胶层504，所述阴极电极包括导电基底502和设在导电基底502上的催化剂层503，所述催化剂层503位于导电基底502和阴离子聚合物凝胶层504之间，所述催化剂为能够催化CO

本实施例中阴极电极组合件的制备方法为：

(1)将负载有碳纳米管的铜酞菁分子均匀分散在乙醇溶液中获得溶液一，溶液一中铜酞菁分子的浓度为2mg/L；

(2)将溶液一滴在亲水碳纸基底上，负载量为1mg/cm

(3)配置聚苯乙烯磺酸钠的DMF溶液获得溶液二，溶液二中聚苯乙烯磺酸钠的浓度为200mg/L,待溶液二中组分充分溶解后将其滴在阴极电极片富含催化剂的一侧，覆盖在催化剂表面，控制溶液二的滴加量，使最终形成的聚合物厚度为100μm，然后放在120℃真空烘箱干燥，获得负载有阴离子聚合物凝胶层的阴极电极；

(4)配置质量分数为10％的PVDF水溶液获得溶液三，将溶液三滴在碳纸的另一侧，即背对凝胶层的一侧，晾干后得到阴极电极组合件，其疏水层厚度为10μm。

实施例2

如图2所示，一种电解槽装置，包括阳极区、阴极区以及将所述阳极区和阴极区分隔开的隔膜3；所述阳极区包括与阳极液作用产生H

2H

本实施例中的隔膜3为阳离子交换膜，反应后的H

本实施例中的阴极电极组合件的结构示意图如图1所示，阴极电极组合件的结构及制备同实施例1。所述阴极电极组合件5的疏水层501朝向阴极板7的那一侧，所述阴极电极组合件5的阴离子聚合物凝胶层504朝向隔膜3的那一侧。

第一导流垫片和第二导流垫片的结构示意图分别如图3、图4所示，所述第二导流垫片6上设有第一孔道601、第二孔道602、第三孔道603和第一腔室606，第一孔道601位于第一腔室606上方，且与阴极板7上阴极液进口701连通，第二孔道602位于第一腔室606下方，且通过设置在第二导流垫片6上的第三通道604与第一腔室606连通，所述第三孔道603位于第一腔室侧边，且通过设置在第二导流垫片6上的第四通道605与第一腔室606连通，第三孔道603与阴极板7上阴极液出口702连通；所述第一导流垫片4上设有第四孔道401、第五孔道402和第二腔室405，第四孔道401位于第二腔室405上方，其与第一孔道601连通，且通过设置在第一导流垫片4上的第一通道403与第二腔室405连通，第五孔道402位于第二腔室405下方，且通过设置在第一导流垫片上的第二通道404与第二腔室405连通；所述阴极电极组合件5完全覆盖第一腔室606、第二腔室405的开口，但不覆盖各孔道(第一孔道、第二孔道、第三孔道、第四孔道和第五孔道)的开口。第一腔室606、第二腔室405均为通腔且开口面积相当，阴极电极面积与第一腔室606、第二腔室405开口面积相当，第一孔道、第四孔道、第一通道相连且相通形成第一流道；第二通道、第五孔道、第二孔道、第三通道相连且相通形成第二流道；第四通道、第三孔道相连且相通形成第三流道。阴极液由阴极液进口入第一流道，后在第二腔室反应后入第二流道，至第一腔室反应后，入第三流道经阴极液出口排出。

本实施例中电解槽装置的阴极区的反应进程如下：

(1)阴极液经阴极液进口入第一流道在第二腔室内发生如下反应：

公式二；

(2)阴极液与CO

2CO

(3)阴极液与反应产物乙烯经第三流道至阴极液出口排出。

在反应过程中会有少量水进入催化剂处发生析氢反应，如下：

H

在该过程中产生的OH

实施例3

一种电催化碳酸氢盐转化的方法，包括如下步骤：

(1)采用实施例2的电解槽装置，阳极液从阳极板上的阳极流道引流至阳极电极处，作用后产生H

(2)产生的CO

实施例4

采用实施例2中的电解槽装置以及实施例3的方法进行电催化碳酸氢盐转化制备乙烯，阴极液采用3mol/L的碳酸氢钾溶液，控制阴极液在流道中的流速为5cm s

设置恒电流分别为-50mA/cm

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。