[发明专利]叠层板电解池及电解方法

说明书

本发明涉及一种叠层板电解池和涉及一种物质电解的方法。

在现代化工中将电解池以各种不同的形式用于许许多多的工作中。例如，在D.Pletcher、F.Walsh的工业电化学(Industrial Electrochemistry)，第2版，1990，伦敦，60页及以下几页可以找到有关电解池结构可能性的概述。

常规采用的电解池的形式是叠层板电解池。其简单的布置是毛细间隙电解池。这里，通常象压滤器一样布置电极和相应的分离元件。在这种类型的电解池中，将几个电极板相互平行地布置，并且通过分离介质例如隔板或隔膜分开。使用一种或多种电解质相填充间隙。所谓的未分开电解池多数仅包括一种电解质相；分开电解池具有二个或多个这样的相。通常，与电极相邻的相是液体。然而，同样可以采用所谓的固体电解质例如离子交换膜作为电解质相。如果在这种情况下将电极例如以电催化和微孔涂层的形式直接涂覆在该离子交换膜上，那么附加的接触是必需的，必须将其一方面设计为集电器和另一方面设计为物质传递促进器。单个电极可以是并联(单极性)或串联(双极性)的。在本发明的内容中，仅仅考虑叠层电极双极性连接的电解池。

为了在电解池中得到尽可能高的物质转化率，根据一般的知识，电解质应该以这样的方式即得到最佳物质传递的方式移向电极。在液体电解质的情况下，通常建议使电解液体的流动平行于电极。

电解的时空产率和选择性除电极的入流(Anstromung)外还取决于使用的电极材料。该材料显著地影响电解池的耐久性、尺寸和重量。

在已知的叠层板电解池中，电极通常被设计为实心板，例如石墨盘。这种类型的电极具有许多由材料实心所产生的缺陷，例如与多孔材料相比减少的表面积以及随之而来的降低的物质转化率，较高的重量和较大的空间需求。

因此，本发明的目的是提供一种提高了时空产率并具有高的选择性、低的重量和空间需求的叠层板电解池，其制备和操作是尽可能简单的。本发明的又一目的是提供具有高时空产率和高选择性的电解方法。    

该目的是通过一种具有多个串联连接的叠层电极的叠层板电解池而得以实现的，它包括至少一个包含石墨毛毡板、碳毛毡板、具有碳覆盖的原料接触表面的织物或具有碳覆盖的原料接触表面的多孔固体的含碳叠层电极，液体电解质相，其中所述含碳叠层电极本身能阻止或防止由于电势梯度所造成的电解质离子通过含碳叠层电极的迁移和/或所述含碳叠层电极包含附加的用于阻止或防止由于电势梯度所造成的电解质离子通过含碳叠层电极的迁移的层。

另外本发明还涉及用所述电解池进行电解的方法。

在本发明中，提供一种具有串联(双极性)连接的叠层电极的叠层板电解池，其中至少一个叠层电极由石墨毛毡板、碳毛毡板、具有碳覆盖的原料接触面的织物或具有碳覆盖的原料接触面的多孔固体组成或包含一种这样的材料。

适合于在本发明中使用的毛毡是商业上可得到的。这里，不仅可以使用石墨毛毡而且可以使用碳毛毡，两种毛毡的区别主要在于碳的结构。除所描述的毛毡外还可以使用其他的与原料接触的表面完全或基本上用碳覆盖的多孔材料，或者用它们代替所描述的毛毡。在这种情况下接触表面是在电解反应期间与欲电解的原料接触的那些外和内表面。在这种情况下这些材料可完全由碳例如碳织物、碳网或多孔碳固体组成。然而，同样可以使用由其他材料制成的其与原料的接触表面完全或大部分用碳覆盖的载体。

电极可以完全是由所提到的材料制成的或具有一或多个其他层。例如这些层可以起稳定该结构的作用。

优选地，叠层板电解池，特别是电极本身和电解质应该这样设计，即尽可能少的、在理想情况下无由于电势梯度造成的电解质离子通过上述本发明的含碳叠层电极的迁移。电极中的电流应尽可能仅仅是由电子而不是由离子产生的。根据给定的电解条件，特别是所使用的电解质，为了在这些叠层电极上得到可观的电解反应甚至需要限制或阻止电解质离子穿过含碳叠层电极的迁移。

这可以通过使用一种固体电解质包围上述含碳叠层电极来实现。所使用的固体电解质基本上可以是任何已知的用于该作用的材料。优选使用离子交换膜。

在这种情况下，除固体电解质外，还使用含电解原料的液体电解质相。该液体相优选地不包含自由的导电离子或仅仅包含少量的导电离子。以致在电极中仅仅或几乎仅仅得到电子电流。那么，电极之间的离子电流完全或大部分是由被束缚在固体电解质中的离子也就是说不会由于电势梯度而自由穿过含碳叠层电极的离子提供的。

除固体电解质外，适合使用的电解质液体包含低于10重量％的导电盐，优选低于3重量％。优选的溶剂是有机溶剂例如甲醇、乙醇、DMF、乙酸、甲酸或乙腈。