[发明专利]用于电化学还原二氧化碳的气体扩散电极

说明书

本发明公开了用于电化学还原二氧化碳制备碳氢燃料的气体扩散电极。获得该气体扩散电极的过程为选择不同疏水性能的基底材料，作为第一层防水透气层基底；在防水透气基底上进行高温烧结或者磁控溅射来完成气体扩散电极的进一步疏水处理；最后通过喷枪喷涂方法来改善防水透气电极的导电性和电催化性能。本发明通过改变条件来研究这些关键因素对电化学还原二氧化碳性能的影响，从而获得最优化气体扩散电极；通过设置分层结构使其在碱性流动电解池中起到防止电解液溢流、透过二氧化碳气体的作用，从而构成理想的气‑液‑固二氧化碳‑电解液‑铜基催化剂三相界面用于电化学二氧化碳还原反应。

技术领域

本发明涉及用于电化学还原二氧化碳制备碳氢(氧)燃料的气体扩散电极，属于二氧化碳还原领域。

背景技术

随着现代社会化石燃料的使用增加，地球的碳循环平衡已经遭到严重破坏，导致了大气中二氧化碳含量的剧烈增加，从而造成全球气温升高(温室效应)和海平面上升等一系列问题。为了解决上述问题，高效捕获过剩的二氧化碳以及转化二氧化碳生成增值有用的化学品成为了科学家迫切关注的研究热点。丰富的清洁能源如太阳能和风能可转化为可再生电能，通过电化学还原二氧化碳生成增值高效的碳氢(氧)燃料逐渐成为一个有效且有前景的二氧化碳再利用方法。然而，当前的二氧化碳还原反应在碱性流动电解池中存在一些难题：气体扩散电极极易发生溢流从而影响二氧化碳还原反应的进行，且使其副反应电解水析氢反应剧烈竞争消耗还原电流。因此，亟待发展新型的高效、高选择性、稳定且低成本的气体扩散电极作为电解池的阴极电极以推进电化学还原二氧化碳技术的大规模应用。

近年来，电催化还原二氧化碳的主要挑战是如何利用低成本的设备，在最低的能耗下高效还原二氧化碳，然而此过程往往得到多种还原产物，包含一氧化碳(CO)、甲酸(HCOOH)、甲烷(CH₄)、乙烯(C₂H₄)和乙醇(C₂H₅OH)等，使得后期的产物分离成本增高。因此，此发明主要使用对高能量密度产物(多碳燃料)具有高活性高选择性的催化剂(目前被报道达成共识的是铜铜基材料对于多碳产物具有无可替代的优越性)，应用在内阻较低的液流电解池体系中，可大幅提高还原电流密度，同时电流电池设计可改善传质受限和反应动力学缓慢问题，从而提高其能量转化效率。

在碱性流动电解池还原二氧化碳体系中，气体扩散电极作为阴极电极，一侧通液体电解液，一侧通气体二氧化碳，所以气体扩散电极一方面要防止电解液溢流到固体电极甚至渗透到气体侧，造成严重的透水溢流从而使分解水产氢副反应剧烈，而降低二氧化碳还原性能；另一方面需要一定的防水透气性能调控捕获二氧化碳气体能力，使二氧化碳能够进入到催化剂一侧接触电解液，构成理想的气-液-固(二氧化碳-电解液-铜基催化剂)三相界面来实现高效的电催化二氧化碳还原性能。

发明内容

本发明的目的在于提供用于气体扩散电极，应用于电化学还原二氧化碳反应。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种用于电化学还原二氧化碳的气体扩散电极来作为电解池阴极还原电极，其主要包含能够防止电解液溢流和允许透气的合理设计和研究制备，其中，该电极通过如下方法制备：

1)根据疏水处理效果，选择载体作为气体扩散电极中防水透气层基底层；

2)气体扩散电极基底层通过高温烧结或磁控溅射完成气体扩散电极的进一步疏水处理；

3)通过喷枪喷涂增强防水透气电极的导电性。

优选的，自制液流电解池反应容器的体积为1mL～20mL，电解液pH范围是7～14,离子交换膜使用阴离子交换膜FAA-3-50或FAB-PK-130,电解液流速范围是1～10ml min^-1，二氧化碳气体流速范围是20～100mL min^-1，反应器整体反应温度范围是20～30℃。