[发明专利]一种用于电化学还原CO2

说明书

本发明为一种用于电化学还原CO₂的膜式液流电解池及测试工艺。包括阴极组件、阳极组件和膜电极组件；其中，阳极组件包括阳极盖板、阳极集流体、阳极流场三合一；膜电极组件中，阳极电极、离子交换膜和阴极气体扩散电极紧密贴合；阴极组件包括阴极盖板、阴极集流体、阴极流场三合一，阴极流场四周为O形圈凹槽，保证装置良好的气密性。该液流电解池装置的优势在于使用膜电极组件，取消了阴极电解液腔室，其欧姆损耗相较于其他类型反应器明显较低。同时，电解池阳极组件具有自动进料与出料口，可以连续或间歇式更新阳极电解液，提升长时间运行二氧化碳还原的装置稳定性。本发明的膜式液流电解池具有运行稳定、欧姆损耗低以及CO₂转化效率高等优势，具有广阔的应用前景。

技术领域

本项发明涉及一种用于电化学还原CO₂的膜式液流电解池及测试工艺，属于新能源转化领域。

背景技术

随着全球经济的发展、能源需求的日益增长，人类不断燃烧化石燃料排放的CO₂远远超过了自然界所能吸收转化的容量，因此如何降低大气中二氧化碳浓度，开发新能源已成为迫在眉睫的问题，其核心是CO₂的有序转化利用以及其与非碳能量的耦合。在过去的几十年里，人们提出了光化学、热化学、光电化学、电化学等多种CO₂转化策略，与其他转化技术相比，CO₂的电催化转化技术由于具有反应条件温和、温度压力易控、绿色环保等优势而受到广泛关注。

在电化学还原CO₂(CRR)领域，其第一步(CO2+e+*→CO₂*^-)活化过程需要较大的负电位(E⁰＝-1.9V vs.可逆氢电极)，因此电解水析氢反应(HER，E⁰＝0V vs.可逆氢电极)成为CRR的主要竞争反应，导致CRR的选择性较差，因此需要选择合适的催化剂促进反应向目标方向进行。此外，除热力学性质外，由于CRR涉及多个电子转移、多个复杂步骤以及较高反应能垒，造成其缓慢的动力学性质，从而影响CRR性能。同时由于CO₂在水系溶液中溶解度较低(室温常压溶解度为33mM)，反应速率受限，导致还原电流密度较低，不利于工业化应用的发展。总体而言，CO₂电化学转化技术虽然具有良好的前景，但仍有很多技术难题亟待解决，例如，高的电解槽压、低的还原电流密度、产物的选择性低、催化电极稳定性差等。目前，大多工作集中在开发高效电催化剂、调控电解质类型、浓度等方面的研究，对反应器设计和测试工艺却很少关注。然而，电解池的合理设计及其测试工艺的探索是提高电化学还原CO₂性能不可缺少的环节，直接决定了CRR的反应速率即还原电流密度、法拉第效率和稳定性，因此本发明主要提出一种用于电化学还原二氧化碳的膜式液流电解池装置。