[发明专利]高效小分子催化氧化与产氢耦合的反应系统

说明书

本发明公开了一种高效小分子催化氧化与产氢耦合的反应系统，包括电解槽和两电极耦合反应机构，所述两电极耦合反应机构包括分别与Ⅰ号外接电源正负极连接的氢气析出阴极和Ⅰ号小分子氧化阳极；还包括氧气还原反应机构和质子交换膜，所述氧气还原反应机构包括分别与Ⅱ号外接电源正负极连接的氧气还原阴极和Ⅱ号小分子氧化阳极；所述质子交换膜设置于氢气析出阴极和Ⅰ号小分子氧化阳极之间，且将电解槽内部分割为Ⅰ号电解区和Ⅱ号电解区；Ⅰ号电解区和Ⅱ号电解区填充电解液。本发明实现了高氢气产量和生物质氧化速率，提高能量转化效率。

技术领域

本发明属于生物质催化转化与化学工程技术领域，具体涉及一种高效小分子催化氧化与产氢耦合的反应系统。

背景技术

由于环境污染的加剧和化石燃料的消耗，我们需要寻找生态友好的可再生能源。氢能由于其清洁，可持续和可再生的优势而成为最理想的替代能源载体之一。大规模生产氢气的常规途径包括甲烷水蒸气重整和煤气化产氢和将水转化为氢气(H₂)的光/电化学分解等方式，但是前者过程会释放出大量的二氧化碳，而二氧化碳是最主要的温室气体。而后者通过水分解来催化生产H₂虽然是一种有前途且环保的可持续的生产方式，但仍然存在缺点：例如，由于阳极氧气析出反应(OER)动力学缓慢，通常需要相当大的过电势才能以可观的速率生产氢气。近来有很多的研究说明可以通过用更易进行的小分子氧化代替传统的OER与氢气析出反应(HER)进行耦合来克服这一局限性。很多的研究工作都说明了一些分子，例如甲醇，乙醇，肼，5-羟甲基糠醛，和尿素等的引入能够增加能量转换的效率。

近十年来，研究人员做了大量的研究工作，以寻求优秀的生物质小分子氧化反应(BOR)电催化剂，并通过掺杂，阴离子置换，缺陷工程等改进了催化剂反应的动力学，并得到了许多性能优异且低成本的电催化剂，例如合金，金属氧化物，硫化物，磷化物和氮化物等。然而，尽管这些催化剂表现出优秀的生物质催化转化性能，但是对于传统的两电极(BOR-HER)耦合系统，由于OER在水电解质中不可避免的竞争，生物质氧化反应只能在低电势下以相对较低的电流密度进行操作，因此反应速率与转化效率大大降低，无法满足工业生产的要求。

发明内容

本发明是为了克服现有水分解来催化生产H₂系统存在的缺点而提出的，其目的是提供一种高效小分子催化氧化与产氢耦合的反应系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高效小分子催化氧化与产氢耦合的反应系统，包括电解槽和两电极耦合反应机构，所述两电极耦合反应机构包括分别与Ⅰ号外接电源正负极连接的氢气析出阴极和Ⅰ号小分子氧化阳极；还包括氧气还原反应机构和质子交换膜，所述氧气还原反应机构包括分别与Ⅱ号外接电源正负极连接的氧气还原阴极和Ⅱ号小分子氧化阳极；所述质子交换膜设置于氢气析出阴极和Ⅰ号小分子氧化阳极之间，且将电解槽内部分割为Ⅰ号电解区和Ⅱ号电解区；Ⅰ号电解区和Ⅱ号电解区填充电解液。

在上述技术方案中，所述Ⅰ号电解区内填充的电解液为碱性电解液；所述Ⅱ号电解区填充的电解液为加入生物质小分子的碱性电解液。

在上述技术方案中，所述氢气析出阴极和氧气还原阴极为商用Pt/C电极。

在上述技术方案中，所述氢气析出阴极、Ⅰ号小分子氧化阳极、氧气还原阴极和Ⅱ号小分子氧化阳极浸入电解液中。

在上述技术方案中，所述Ⅰ号小分子氧化阳极和Ⅱ号小分子氧化阳极为水滑石纳米片阵列电极。

本发明的有益效果是：