CN115161677B - 一种温度可控的二氧化碳电解装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温度可控的二氧化碳电解装置，属于二氧化碳电化学转化技术领域。所述二氧化碳电解装置包括依次排列的阴极集流体、阴极流场板、阴极板、离子聚合物隔膜、阳极板、阳极流场版和阳极集流体；所述阴极流场板和阳极流场板的内部均沿阴极流场板板长方向平行设有热电偶和加热棒，热电偶和加热棒通过导线与电解装置外部的温度控制器连接；所述装置还包括阴极电解液供应单元、阳极电解液供应单元以及气体供应单元，阴极电解液和阳极电解液通过加热搅拌水浴锅控温。通过本发明所述装置可以实现电解二氧化碳时不同催化剂最佳温度的测定，通过优化温度提高CO2电解性能。

Description

一种温度可控的二氧化碳电解装置
技术领域
本发明涉及一种温度可控的二氧化碳电解装置，属于二氧化碳电化学转化技术领域。
背景技术
二氧化碳电化学转化：由于化石燃料的大量使用，近几十年来，全球大气二氧化氮浓度大幅升高，对全球气候和环境带来了巨大的影响。为应对二氧化碳排放带来的全球变暖问题，寻找高效可靠的方法将二氧化碳进行转化成为日益迫切的话题。其中利用清洁可再生电能将二氧化碳转化为燃料或化学品被认为是一种十分具有前景的方法。
二氧化碳电解装置：二氧化碳电解装置是二氧化碳电化学转化发生的场所。二氧化碳和阴极溶液在阴极发生反应，生成氢气，一氧化碳，甲酸，甲烷，甲醇，甲烷，乙酸，乙醇，乙烯，乙烷等产物。阳极溶液在阳极发生反应，生成氧气。
目前使用的二氧化碳电解装置主要在室温下工作，提高温度有利于导电性和传质过程的提高，不同催化剂有不同的最优反应温度，适当的调控温度有利于提高反应性能。
发明内容
本发明提供了一种温度可控的二氧化碳电解装置。
一种温度可控的二氧化碳电解装置，所述二氧化碳电解装置包括依次排列的阴极集流体、阴极流场板、阴极板、离子聚合物隔膜、阳极板、阳极流场版和阳极集流体，其中，阴极板和离子聚合物隔膜之间构成阴极液体腔，阳极板和离子聚合物隔膜之间构成阳极液体腔；
所述阴极流场板的内部沿阴极流场板板长方向平行设有阴极热电偶和阴极加热棒，阴极热电偶和阴极加热棒通过导线与电解装置外部的阴极温度控制器连接；所述阳极流场板的内部沿阳极流场板板长方向平行设有阳极热电偶和阳极加热棒，阳极热电偶和阳极加热棒通过导线与电解装置外部的阳极温度控制器连接；
阴极液体腔的一端与阴极电解液供应单元连接，另一端与液体收集罐a连接；阳极液体腔的一端与阳极电解液供应单元连接，另一端与液体收集罐b连接；阴极流场板的一端与气体供应单元连接，另一端与气相色谱连接。
进一步地，上述技术方案中，所述气体供应单元包括气瓶和控制气瓶中二氧化碳气体流出量的气体流量控制器；在连接气瓶和阴极流场板之间的管路上还设有压力表。
进一步地，上述技术方案中，所述阴极电解液供应单元包括储存罐a和加热储存罐a的加热搅拌水浴锅a，以及位于储液罐a和阴极流场板之间管路上的液体泵a；所述阳极电解液供应单元包括储存罐b和加热储存罐b的加热搅拌水浴锅b，以及位于储液罐b和阳极流场板之间管路上的液体泵b。
进一步地，上述技术方案中，所述气体供应单元、阴极电解液供应单元和阳极电解液供应单元位于电解装置的同侧。
进一步地，上述技术方案中，所述二氧化碳电解装置还包括电源，电源的两极分别连接阴极集流体和阳极集流体。
进一步地，上述技术方案中，温度控制器和加热搅拌水浴锅设定的加热温度相同，为303-373K。
进一步地，上述技术方案中，所述阴极板为气体扩散电极，电极表面涂有阴极催化剂，如Fe-N-C，Ni-N-C，酞菁钴，金，银，钯，铜，锡，铟等，催化剂载量在0.1～3mg cm-2。
进一步地，上述技术方案中，所述阳极板表面涂有氧析出催化剂，如铱黑，铂等，催化剂载量在0.1～3mg cm-2。
进一步地，上述技术方案中，所述离子聚合物隔膜包括阴离子聚合物隔膜、阳离子聚合物隔膜或两性离子聚合物隔膜。
进一步地，上述技术方案中，所述阴极电解液和阳极电解液组成可以相同或不同；包括碱性电解液如0.1～10M氢氧化钾或氢氧化钠溶液，中性电解液如0.1～10M碳酸氢钾，硫酸钾，氯化钾，碘化钾等，或酸性电解液如0.1～10M硫酸，磷酸，磷酸二氢钾，磷酸氢二钾。
有益效果
本发明所述装置通过提高反应温度，可以显著提高二氧化碳电解的电流密度，相比室温下343K时Fe-N-C催化剂上电流密度提高了62.5％。
本发明所述二氧化碳电解装置以加热棒对阴极流场板和阳极流场板进行加热，以热电偶检测加热温度，以温度控制器调控加热棒的加热温度，以加热搅拌水浴锅控制电解液温度。采用这种局部控制温度、配合使用的温度控制单元可以有效避免电解装置整体加热时产生的温度不均匀的问题。采用本发明这种局部控制温度的装置，可以提高加热温度的准确性，本发明的加热棒和热电偶靠近阴极板和阳极板，对阴极板和阳极板的温度控制更准。使用水浴锅加热电解液避免了电解液导致的阴极板和阳极板温度变化。而整体加热控制的是整个装置的温度，不是电极的温度，对于测试催化剂电解二氧化碳的最佳温度上存在误差，无法得到最优温度。
附图说明
图1为温度可控的二氧化碳电解装置结构示意图。
图2为本发明装置在不同温度下的二氧化碳电解性能。
图中，1、阴极集流体；2、阴极流场板；3、阴极板；4、离子聚合物隔膜；5、阳极板；6、阳极流场板；7、阳极集流体；8、电源；9、阴极热电偶；10、阴极加热棒；11、阳极加热棒；12、阳极热电偶；13、阳极温度控制器；14、阴极温度控制器；15、压力表；16、气体流量控制器；17、气瓶；18、储存罐a；19、加热搅拌水浴锅a；20、液体泵a；21、加热搅拌水浴锅b；22、储存罐b；23、液体泵b；24、阴极液体腔；25、阳极液体腔；26、液体收集罐a；27、液体收集罐b；28、气相色谱。
具体实施方式
下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
以下参照附图对温度可控的二氧化碳电解装置的实施方式进行说明。附图仅作为说明，各元件尺寸，比例等与实际情况并不完全相同。
实施例1
如图1所示，一种温度可控的二氧化碳电解装置，所述二氧化碳电解装置包括依次排列的阴极集流体1、阴极流场板2、阴极板3、离子聚合物隔膜4、阳极板5、阳极流场版6和阳极集流体7，其中，阴极板3和离子聚合物隔膜4之间构成阴极液体腔24，阳极板5和离子聚合物隔膜4之间构成阳极液体腔25；所述阴极流场板2的内部沿阴极流场板板长方向平行设有阴极热电偶9和阴极加热棒10，阴极热电偶9和阴极加热棒10通过导线与电解装置外部的阴极温度控制器14连接；所述阳极流场板6的内部沿阳极流场板板长方向平行设有阳极热电偶12和阳极加热棒11，阳极热电偶12和阳极加热棒11通过导线与电解装置外部的阳极温度控制器13连接；阴极液体腔24的一端与阴极电解液供应单元连接，另一端与液体收集罐a26连接；阳极液体腔25的一端与阳极电解液供应单元连接，另一端与液体收集罐b27连接；阴极流场板2的一端与气体供应单元连接，另一端与气相色谱28连接。
所述气体供应单元包括气瓶17和控制气瓶17中二氧化碳气体流出量的气体流量控制器16。在连接气瓶17和阴极流场板2之间的管路上还设有压力表15。所述阴极电解液供应单元包括储存罐a18和加热储存罐a18的加热搅拌水浴锅a19，以及位于储液罐a18和阴极流场板2之间管路上的液体泵a20；所述阳极电解液供应单元包括储存罐b22和加热储存罐b22的加热搅拌水浴锅b21，以及位于储液罐b22和阳极流场板6之间管路上的液体泵b23。所述气体供应单元、阴极电解液供应单元和阳极电解液供应单元位于电解装置的同侧。所述二氧化碳电解装置还包括电源8，电源8的两极分别连接阴极集流体1和阳极集流体7。温度控制器和加热搅拌水浴锅设定的加热温度相同，为303-373K。所述阴极板3为气体扩散电极，电极表面涂有阴极催化剂。所述阳极板5表面涂有氧析出催化剂。所述离子聚合物隔膜4包括阴离子聚合物隔膜、阳离子聚合物隔膜或两性离子聚合物隔膜。所述阴极电解液和阳极电解液组成可以相同或不同；包括碱性电解液，中性电解液或酸性电解液。
所述阴极加热棒10和阳极加热棒11的作用是分别给阴极流场板2和阳极流场板6加热；所述阴极热电偶9和阳极热电偶12的作用是分别检测阴极流场板2和阳极流场板6的温度；所述阴极温度控制器14连接阴极热电偶9和阴极加热棒10，阳极温度控制器13连接阳极热电偶12和阳极加热棒11，用于分别调控阴极流场板2和阳极流场板6的温度。温度控制范围为303-373K。
所述储存罐a18内部储存阴极电解液，采用加热搅拌水浴锅a19调控阴极电解液的温度，通过液体泵a20将阴极电解液输送至阴极液体腔24；所述储存罐b22内部储存阳极电解液，采用加热搅拌水浴锅b22调控阳极电解液的温度，通过液体泵b23将阳极电解液输送至阳极液体腔25。阴极和阳极电解液成分及浓度可以相同或不同。
通过压力表15调节气瓶17中流出的二氧化碳气体的压力，通过气体流量控制器16调控二氧化碳的气体流速。使二氧化碳气体进入阴极流场板2，进而流向阴极板3。二氧化碳与阴极液体腔中的阴极电解液进在阴极板3上发生反应，生成各种产物如一氧化碳、甲酸、甲醇、乙烯、乙醇、乙酸、氢气，生成的产物通过阴极流场板2进入气相色谱28进行分析。阴离子通过离子聚合物隔膜4进入阳极液体腔25发生电化学氧化反应生成氧气，氧气可以不进行收集直接排放。
产物收集部分，该产物收集部分含有：阴极气体产物收集至气相色谱28，用于阴极气体产物分析；液体收集罐a26，用于收集阴极电解液；液体收集罐b27，用于收集阳极电解液。
实施例2
一种温度可控的二氧化碳电解装置的应用方法，在测试时阴极板3为气体扩散电极，电极上涂有Fe-N-C或Ni-N-C催化剂，催化剂载量为3mg cm-2。
阳极板5为多孔泡沫钛，电极上涂有铱黑催化剂，催化剂载量为3mg cm-2。
二氧化碳由气瓶17储存，并通过气体流量控制器16调节流量，经由管路通入到阴极流场板2，在阴极板3上反应后通入气相色谱28，进行产物分析。气体流量控制在30mLmin-1。
阴极电解液成分为1M KOH溶液，储存在储存罐a18中，储存罐a18放置在加热搅拌水浴锅a19中，阴极电解液温度由加热搅拌水浴锅a19控制。并通过液体泵a20通入到阴极液体腔24中，反应后的电解液由液体收集罐a26收集，用于后续核磁共振检测阴极电解液流量为5mL min-1。
阳极电解液储成分为1M KOH溶液，存在储存罐b22中，储存罐b22放置在加热搅拌水浴锅b21中，阳极电解液温度由加热搅拌水浴锅b21控制。并通过液体泵b23通入到阳极液体腔25中，反应后的电解液由液体收集罐b27收集，用于后续处理。阳极电解液流量为5mLmin-1。
阴极腔液体24和阳极腔液体25之间用阴离子聚合物隔膜分隔开。
阴极流场板2温度由阴极热电偶9测量，由阴极加热棒10进行加热，阴极温度控制器14连接阴极热电偶9和阴极加热棒10，对阴极流场板2的温度进行控制。
阳极流场板6温度由阳极热电偶12测量，由阳极加热棒11进行加热，阳极温度控制器13连接阳极热电偶12和阳极加热棒11，对阳极流场板6的温度进行控制
测试时通过将阳极温度控制器13，阴极温度控制器14，加热搅拌水浴锅a19和加热搅拌水浴锅b21设定到目标温度并通入气体和电解液。目标温度分别设置为303K,313K,323K,333K,343K。
电源8通过导线连接到阴极集流体1和阳极集流体7，当测试开始时通过设定电压或电流向整个反应装置供电。
图2是不同温度下的二氧化碳电解性能，可以看到在Fe-N-C催化剂上343K时比303K电流密度提高了62.5％，Ni-N-C催化剂上323K时比303K提高了36.2％。说明不同催化剂具有不同的最优反应温度，通过优化温度可以显著提高CO2电解性能。

Claims (9)

1.一种温度可控的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述二氧化碳电解装置包括依次排列的阴极集流体（1）、阴极流场板（2）、阴极板（3）、离子聚合物隔膜（4）、阳极板（5）、阳极流场版（6）和阳极集流体（7），其中，阴极板（3）和离子聚合物隔膜（4）之间构成阴极液体腔（24），阳极板（5）和离子聚合物隔膜（4）之间构成阳极液体腔（25）；
所述阴极流场板（2）的内部沿阴极流场板板长方向平行设有阴极热电偶（9）和阴极加热棒（10），阴极热电偶（9）和阴极加热棒（10）通过导线与电解装置外部的阴极温度控制器（14）连接；所述阳极流场板（6）的内部沿阳极流场板板长方向平行设有阳极热电偶（12）和阳极加热棒（11），阳极热电偶（12）和阳极加热棒（11）通过导线与电解装置外部的阳极温度控制器（13）连接；
阴极液体腔（24）的一端与阴极电解液供应单元连接，另一端与液体收集罐a（26）连接；阳极液体腔（25）的一端与阳极电解液供应单元连接，另一端与液体收集罐b（27）连接；阴极流场板（2）的一端与气体供应单元连接，另一端与气相色谱（28）连接；
所述阴极板为气体扩散电极，电极表面涂有阴极催化剂，所述阴极催化剂Fe-N-C或Ni-N-C。
2.根据权利要求1所述的温度可控的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述气体供应单元包括气瓶（17）和控制气瓶（17）中二氧化碳气体流出量的气体流量控制器（16）；在连接气瓶（17）和阴极流场板（2）之间的管路上还设有压力表（15）。
3.根据权利要求1所述的温度可控的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述阴极电解液供应单元包括储存罐a（18）和加热储存罐a（18）的加热搅拌水浴锅a（19），以及位于储液罐a（18）和阴极流场板（2）之间管路上的液体泵a（20）；所述阳极电解液供应单元包括储存罐b（22）和加热储存罐b（22）的加热搅拌水浴锅b（21），以及位于储液罐b（22）和阳极流场板（6）之间管路上的液体泵b（23）。
4.根据权利要求1所述的温度可控的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述气体供应单元、阴极电解液供应单元和阳极电解液供应单元位于电解装置的同侧。
5.根据权利要求1所述的温度可控的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述二氧化碳电解装置还包括电源（8），电源（8）的两极分别连接阴极集流体（1）和阳极集流体（7）。
6. 根据权利要求1所述的温度可控的二氧化碳电解装置，其特征在于，温度控制器和加热搅拌水浴锅设定的加热温度相同，为303-373 K。
7.根据权利要求1所述的温度可控的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述阳极板（5）表面涂有氧析出催化剂。
8.根据权利要求1所述的温度可控的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述离子聚合物隔膜（4）包括阴离子聚合物隔膜、阳离子聚合物隔膜或两性离子聚合物隔膜。
9.根据权利要求1所述的温度可控的二氧化碳电解装置，其特征在于，所述阴极电解液和阳极电解液组成可以相同或不同；包括碱性电解液，中性电解液或酸性电解液。
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