本發(fā)明屬于電化學(xué)、二氧化碳利用、可再生能源領(lǐng)域，具體涉及一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、二氧化碳（co2）是主要的溫室氣體之一，其大量排放是導(dǎo)致全球變暖的主要原因。通過(guò)電化學(xué)二氧化碳還原（co2rr）技術(shù)，可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)品或燃料，如甲酸、甲醇、甲烷等。這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域，為人類社會(huì)提供了新的資源來(lái)源。此外，隨著傳統(tǒng)石化能源的逐漸枯竭，能源危機(jī)日益嚴(yán)峻。co2rr技術(shù)可以將可再生能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能等）轉(zhuǎn)化為燃料儲(chǔ)存起來(lái)，有助于可再生能源的開(kāi)發(fā)利用。可見(jiàn)，co2rr技術(shù)符合綠色、低碳、循環(huán)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念。

2、傳統(tǒng)co2rr技術(shù)通常需要在陰極液中使用含有高濃度堿金屬陽(yáng)離子，以抑制析氫副反應(yīng)。然而，這會(huì)導(dǎo)致co2rr的液態(tài)產(chǎn)物，如甲酸、乙酸、乙醇等溶解在陰極液中，并與高濃度堿金屬陽(yáng)離子混合。這需要額外、高能耗操作單元來(lái)分離液態(tài)產(chǎn)物和金屬陽(yáng)離子，以獲得液態(tài)產(chǎn)物純度較高的產(chǎn)品。

3、配備固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)二氧化碳還原裝置，可解決液態(tài)產(chǎn)物與高濃度堿金屬陽(yáng)離子混合的問(wèn)題，但其應(yīng)用受到需使用高成本預(yù)制陰離子交換膜（aem）的限制。典型的配備固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)二氧化碳還原裝置，需要在陰極覆蓋aem，在陽(yáng)極覆蓋有陽(yáng)離子交換膜，cem。在aem與cem之間形成的提取室中，填充離子交換樹(shù)脂作為固態(tài)電解質(zhì)層。在陰極側(cè)，由co2rr反應(yīng)產(chǎn)生的液態(tài)產(chǎn)物，將在電場(chǎng)或跨膜濃差的推動(dòng)下，穿過(guò)aem；而析氧反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子則通過(guò)陽(yáng)極側(cè)的cem。提取室的提取液進(jìn)口通入純水或濕潤(rùn)氣體，可在提取液出口獲得液態(tài)產(chǎn)物溶液。現(xiàn)有技術(shù)中，需要在配備固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)二氧化碳還原裝置中使用昂貴的預(yù)制aem，其目的包括：分離液體介質(zhì)，防止陰極水淹；抑制質(zhì)子遷移以提高co2rr性能；促進(jìn)帶電的液態(tài)產(chǎn)物離子過(guò)膜。然而，這些預(yù)制aem具有以下缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴、物理性質(zhì)脆弱、不賴酸性條件（而固態(tài)電解質(zhì)層內(nèi)因?yàn)樯尚》肿佑袡C(jī)酸，ph極低）。因此，該領(lǐng)域亟待開(kāi)發(fā)一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置及其應(yīng)用，具體地，電化學(xué)二氧化碳還原裝置的主要部件包括用以催化析氧反應(yīng)的陽(yáng)極、氣體擴(kuò)散電極構(gòu)成的陰極、設(shè)置于所述陽(yáng)極和陰極之間的提取室、覆蓋于陽(yáng)極表面的陽(yáng)離子交換膜、覆蓋于陰極表面的隔膜、填充于提取室內(nèi)的離子交換樹(shù)脂作為固態(tài)電解質(zhì)。電化學(xué)二氧化碳還原裝置的主要特點(diǎn)是：無(wú)預(yù)制陰離子交換膜；隔膜不是預(yù)制陰離子交換膜，而是酸性條件穩(wěn)定的廉價(jià)、有孔、高分子薄膜。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置，包括用以催化析氧反應(yīng)的陽(yáng)極、氣體擴(kuò)散電極構(gòu)成的陰極、設(shè)置于所述陽(yáng)極和陰極之間的提取室，設(shè)置于陽(yáng)離子交換膜背離提取室一側(cè)且用于裝配陽(yáng)極的陽(yáng)極室，提取室由覆蓋于陽(yáng)極表面的陽(yáng)離子交換膜、覆蓋于陰極表面的隔膜組成，提取室內(nèi)填充離子交換樹(shù)脂作為固態(tài)電解質(zhì)，提取室中使用提取液以提取二氧化碳還原的液態(tài)產(chǎn)物。

3、在本發(fā)明一實(shí)施例中，覆蓋于陰極表面的隔膜非預(yù)制陰離子交換膜。

4、在本發(fā)明一實(shí)施例中，覆蓋于陰極表面的隔膜為包括濾紙、聚偏二氟乙烯（pvdf）、四氟乙烯（ptfe）的酸性條件穩(wěn)定的廉價(jià)、有孔、高分子薄膜。

5、在本發(fā)明一實(shí)施例中，陰極修飾有催化劑，用以催化二氧化碳還原反應(yīng)生成包括甲酸、乙酸、乙醇的液態(tài)產(chǎn)物。

6、在本發(fā)明一實(shí)施例中，離子交換樹(shù)脂選取具有預(yù)定顆粒大小的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂或陰離子交換樹(shù)脂。

7、在本發(fā)明一實(shí)施例中，提取液為純水或濕潤(rùn)氣體。

8、在本發(fā)明一實(shí)施例中，提取室設(shè)置有提取液進(jìn)口和提取液出口。

9、在本發(fā)明一實(shí)施例中，陽(yáng)極室內(nèi)通陽(yáng)極液。

10、在本發(fā)明一實(shí)施例中，陽(yáng)極液為無(wú)機(jī)酸溶液或純水。

11、本發(fā)明還提供了一種基于上述所述的一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置的應(yīng)用，用于二氧化碳還原反應(yīng)，以在提取室的提取液出口收集到包括甲酸溶液、乙酸溶液、乙醇溶液的液態(tài)產(chǎn)物溶液，液態(tài)產(chǎn)物溶液的成分僅含有提取液的成分加上液態(tài)產(chǎn)物的成分。

12、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提出的電化學(xué)二氧化碳還原裝置，可避免昂貴、酸性條件不穩(wěn)定的預(yù)制陰離子交換膜的使用，可直接獲得液態(tài)產(chǎn)物純度較高的產(chǎn)品，可省去額外的用以分離液態(tài)產(chǎn)物和金屬陽(yáng)離子的操作單元。本發(fā)明提供的電化學(xué)二氧化碳還原裝置應(yīng)用于二氧化碳還原反應(yīng)，可在提取液出口收集到液態(tài)產(chǎn)物溶液，如甲酸溶液、乙酸溶液、乙醇溶液等。所述液態(tài)產(chǎn)物溶液的成分僅含有提取液的成分加上液態(tài)產(chǎn)物的成分。例如，當(dāng)提取液成分中不含有高濃度堿金屬陽(yáng)離子時(shí)，液態(tài)產(chǎn)物溶液也不含有高濃度堿金屬陽(yáng)離子。

技術(shù)特征：

1.一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置，其特征在于，包括用以催化析氧反應(yīng)的陽(yáng)極、氣體擴(kuò)散電極構(gòu)成的陰極、設(shè)置于所述陽(yáng)極和陰極之間的提取室，設(shè)置于陽(yáng)離子交換膜背離提取室一側(cè)且用于裝配陽(yáng)極的陽(yáng)極室，提取室由覆蓋于陽(yáng)極表面的陽(yáng)離子交換膜、覆蓋于陰極表面的隔膜組成，提取室內(nèi)填充離子交換樹(shù)脂作為固態(tài)電解質(zhì)，提取室中使用提取液以提取二氧化碳還原的液態(tài)產(chǎn)物。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置，其特征在于，覆蓋于陰極表面的隔膜非預(yù)制陰離子交換膜。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置，其特征在于，覆蓋于陰極表面的隔膜為包括濾紙、聚偏二氟乙烯（pvdf）、四氟乙烯（ptfe）的酸性條件穩(wěn)定的廉價(jià)、有孔、高分子薄膜。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置，其特征在于，陰極修飾有催化劑，用以催化二氧化碳還原反應(yīng)生成包括甲酸、乙酸、乙醇的液態(tài)產(chǎn)物。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置，其特征在于，離子交換樹(shù)脂選取具有預(yù)定顆粒大小的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂或陰離子交換樹(shù)脂。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置，其特征在于，提取液為純水或濕潤(rùn)氣體。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置，其特征在于，提取室設(shè)置有提取液進(jìn)口和提取液出口。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置，其特征在于，陽(yáng)極室內(nèi)通陽(yáng)極液。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置，其特征在于，陽(yáng)極液為無(wú)機(jī)酸溶液或純水。

10.一種基于權(quán)利要求1-9任一所述的一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置的應(yīng)用，其特征在于，用于二氧化碳還原反應(yīng)，以在提取室的提取液出口收集到包括甲酸溶液、乙酸溶液、乙醇溶液的液態(tài)產(chǎn)物溶液，液態(tài)產(chǎn)物溶液的成分僅含有提取液的成分加上液態(tài)產(chǎn)物的成分。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種無(wú)預(yù)制陰離子交換膜的電化學(xué)二氧化碳還原裝置及其應(yīng)用，屬于電化學(xué)、二氧化碳利用、可再生能源領(lǐng)域。所述裝置包括用以催化析氧反應(yīng)的陽(yáng)極、氣體擴(kuò)散電極構(gòu)成的陰極、設(shè)置于所述陽(yáng)極和陰極之間的提取室、覆蓋于陽(yáng)極表面的陽(yáng)離子交換膜、覆蓋于陰極表面的隔膜、填充于提取室內(nèi)的離子交換樹(shù)脂作為固態(tài)電解質(zhì)。所述裝置用于二氧化碳還原反應(yīng)，可在提取室中使用提取液以提取二氧化碳還原的液態(tài)產(chǎn)物溶液；所述液態(tài)產(chǎn)物溶液的成分僅含有提取液的成分加上液態(tài)產(chǎn)物的成分?；诒景l(fā)明，可避免昂貴、酸性條件不穩(wěn)定的預(yù)制陰離子交換膜的使用，可直接獲得液態(tài)產(chǎn)物純度較高的產(chǎn)品，可省去額外的用以分離液態(tài)產(chǎn)物和金屬陽(yáng)離子的操作單元。

技術(shù)研發(fā)人員：蔣永,鄭雪,劉丹
受保護(hù)的技術(shù)使用者：福建農(nóng)林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6