【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及電還原co2的，尤其是涉及一種電還原co2的方法及其裝置。
技術介紹
1、隨著全球氣候變化和環境問題的日益嚴峻，二氧化碳(co2)減排和資源化利用成為研究熱點。電化學還原co2(electrochemical?co2reduction,eco2r)是實現co2資源化的有效途徑，能夠利用可再生的電能將co2轉化為高附加值化學品和燃料，例如一氧化碳(co)、甲烷(ch4)、乙烯(c2h4)、甲酸(hcooh)等化合物。這些化合物可以作為燃料或化工原料，替代化石資源，從而實現碳循環和資源的可持續利用。
2、電解液環境是eco2r過程的重要組成部分，它不僅作為離子的傳導介質，還直接影響催化劑表面的反應環境，從而影響反應的效率和產物的選擇性。因此，電解液的選擇對于eco2r的性能至關重要。eco2r中常用的電解液主要為中性和堿性環境，可以有效抑制析氫(her)副反應，但co2與oh-結合形成碳酸鹽(hco3-/co32-)，堵塞氣體擴散電極(gde)的微孔導致傳質效率下降，限制了co2的單程利用率(spce)，不利于工業化應用。
3、因此，基于酸性電解質開展eco2r以提高碳轉化效率是目前的研究趨勢。當水合氫離子作為酸性eco2r的質子供體時，可抑制碳酸鹽的形成；同時，當水作為酸性介質的質子源時，擴散層中產生的碳酸鹽可以通過豐富的質子轉化為co2。但是，由于酸性電解質中的高質子濃度，競爭性her相較于co2電解過程在動力學上更快，降低了產物的選擇性，即降低了產物的產率。
4、因此，抑制酸性
5、雖然通過催化劑選擇和局部ph調控可以在一定程度上抑制酸性電解液中co2電還原過程的產氫副反應(her)，但在高電流密度下，酸性eco2r中產物的轉化率和選擇性仍然有限。亟需探索電解過程以抑制her并提高酸性環境下的eco2r性能，從而推動二氧化碳電還原技術的發展。
技術實現思路
1、本專利技術所要解決的技術問題是提供一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效co2電還原方法及其裝置，其能夠有效提升電還原co2的產物轉化率以及降低整體的過電位能耗。
2、為了解決上述技術問題，第一方面，本專利技術提供的串聯陽極與陰極酸性電解質的高效co2電還原方法采用如下的技術方案：
3、一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效co2電還原方法，包括以下步驟：
4、將酸性電解液泵入陽極腔室，所述酸性電解液中含有堿金屬陽離子，所述酸性電解液在陽極電極表面發生氧析出反應，得到含有溶解氧的酸性電解液；
5、再將所述含有溶解氧的酸性電解液通入與陽極腔室僅進行質子交換的陰極腔室中，溶解氧在陰極氣體擴散電極的催化層表面發生氧還原反應，生成ooh*中間體；
6、向陰極氣體擴散電極的催化層表面通入co2，所述ooh*中間體降低co2分子活化的能壘，所述co2電還原生成*cooh中間體、*ocho中間體；所述*ocho中間體在分布有ooh*中間體的陰極氣體擴散電極繼續電還原形成氣體產物，擴散排出并收集，所述*cooh中間體在分布有ooh*中間體的陰極氣體擴散電極形成液體產物，逸散至酸性電解液中，排出并收集。
7、由于電還原co2對應的陽極反應通常為氧析出反應(oer)，通過水氧化，生成溶解氧與h*，oer技術成熟，已有大量研究和應用經驗，原料易于獲取且成本低廉，但oer過程通常需要較高的過電位(1.23v?vs.rhe)，導致較高的能量消耗，降低整體反應效率。而通過采用上述技術方案，將酸性電解液從陽極側引入，陽極oer產生溶解氧，再將含有溶解氧的酸性電解液通入陰極腔室，使得溶解氧可在陰極氣體擴散電極參與到co2電還原，在與co2共電解中，低濃度的溶解氧有利于調節陰極氣體擴散電極的催化層的氧化狀態，維持高效的催化環境，以提升co2電還原的轉化效率。并且，通過氧還原反應產生的ooh*中間體可以降低co2分子活化的能壘，有利于實現高效的co2電還原過程；ooh*中間體還可以穩定co2電還原產物的*cooh中間體、*ocho中間體，顯著提升了co2電還原的轉化效率；ooh*中間體與堿金屬陽離子共同構筑催化層附近的微環境，驅替質子使其遠離陰極氣體擴散電極，調控陰極氣體擴散電極附近的局部ph值，以更有效地抑制競爭性副反應her。
8、同時，上述方法將酸性電解液從陽極側引入，隨后通過陽極到陰極的酸性電解質驅動耦合陽極oer過程以實現高效穩定的co2電還原，構建了穩定而高效的co2電還原過程；并且由于上述方法中利用oer有效提升了co2電還原的轉化效率，在得到同等量產物的情況下，陰極側co2電還原所需的過電位能耗減小，巧妙中和了oer耗能高的缺陷，提升了co2電還原整體的效率和經濟性。
9、可選的，所得酸性電解液的ph為1.0-3.0。
10、通過采用上述技術方案，上述ph范圍的酸性電解液中質子濃度能夠提供足夠的水合氫離子作為酸性co2電還原的質子供體，以有效抑制碳酸鹽的形成，避免堵塞陰極氣體擴散電極的微孔導致傳質效率下降。
11、可選的，所述酸性電解液包括硫酸和堿金屬陽離子硫酸鹽，其中所述硫酸的濃度為0.0025-0.005％，所述堿金屬陽離子的濃度為0.5-1.5mol/l。
12、通過采用上述技術方案，上述范圍的硫酸濃度能夠調節酸性電解液的ph在1-3之間，上述范圍的堿金屬陽離子濃度與ooh*中間體相互配合，能夠更好地抑制水合氫離子的遷移調控電極附近的局部ph值，從而更好地抑制競爭性析氫副反應，從而進一步提升co2電還原的轉化效率。
13、可選的，所述酸性電解液的配制方法包括以下步驟：
14、先取適量濃硫酸溶于去離子水中，配制成0.0025-0.005％硫酸水溶液，隨后稱取適量的堿金屬陽離子硫酸鹽溶入上述溶液，配制成堿金屬陽離子濃度為0.5-1.5mol/l的酸性電解液。
15、可選的，所述酸性電解液泵入陽極腔室的流速為1.0-5.0ml/min，co2通入的流速為3-100sccm。
16、通過采用上述技術方案，上述酸性電解液的泵入流速和co2的通入流速范圍，能夠使得陽極電極的oer反應后得到的溶解氧量適中，以使得調節陰極氣體擴散電極處的溶解氧維持在低濃度狀態，以更好地調節陰極氣體擴散電本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效CO2電還原方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效CO2電還原方法，其特征在于：所得酸性電解液的pH為1.0-3.0。
3.根據權利要求2所述的一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效CO2電還原方法，其特征在于：所述酸性電解液包括硫酸和堿金屬陽離子硫酸鹽，其中所述硫酸的濃度為0.0025-0.005％，所述堿金屬陽離子的濃度為0.5-1.5mol/L。
4.根據權利要求3所述的一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效CO2電還原方法，其特征在于，所述酸性電解液的配制方法包括以下步驟：
5.根據權利要求1或2任一所述的一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效CO2電還原方法，其特征在于：所述酸性電解液泵入陽極腔室(31)的流速為1.0-5.0mL/min，CO2通入的流速為3-100sccm。
6.根據權利要求1或2任一所述的一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效CO2電還原方法，其特征在于：所述電還原過程施加的電流密度為50-300mA/cm2。p>
7.根據權利要求1或2任一所述的一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效CO2電還原方法，其特征在于：所述陰極氣體擴散電極(6)采用催化材料為Bi、Bi2S3、Bi2O3、Bi2S3@CNTs、Bi2O3@CNTs、Bi-Bi2O2CO3@CNTs、Bi-Bi2O2CO3、CNTs中的至少一種。
8.根據權利要求1或2任一所述的一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效CO2電還原方法，其特征在于，所述陰極氣體擴散電極(6)的制備過程包括以下步驟：
9.根據權利要求8所述的一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效CO2電還原方法，其特征在于：所述混合溶劑中乙醇和異丙醇的比例為(2-4)：1，所述粘附劑體積為混合溶劑的0.03-0.05％。
10.一種基于權利要求1-9任一所述串聯陽極與陰極酸性電解質的高效CO2電還原裝置，其特征在于：包括支撐塊(1)、依次重疊固定于支撐板上的陽極電極(2)、陽極壓塊(3)、質子交換膜(4)、陰極壓塊(5)、陰極氣體擴散電極(6)和通氣塊(7)，所述陽極壓塊(3)開設有陽極腔室(31)且設置有連通于陽極腔室(31)的第一進液端(32)和第一出液端(33)，所述陰極壓塊(5)開設有陰極腔室(51)且設置有連通于陰極腔室(51)的第二進液端(52)和第二出液端(53)，所述第一出液端(33)和第二進液端(52)之間連接有連接管道(8)，所述陽極電極(2)位于陽極腔室(31)處，所述陰極氣體擴散電極(6)位于陰極腔室(51)處，所述陰極氣體擴散電極(6)的擴散層朝向通氣塊(7)且催化層朝向陰極腔室(51)，所述質子交換膜(4)橫亙于陽極腔室(31)和陰極腔室(51)之間。
...【技術特征摘要】
1.一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效co2電還原方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效co2電還原方法，其特征在于：所得酸性電解液的ph為1.0-3.0。
3.根據權利要求2所述的一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效co2電還原方法，其特征在于：所述酸性電解液包括硫酸和堿金屬陽離子硫酸鹽，其中所述硫酸的濃度為0.0025-0.005％，所述堿金屬陽離子的濃度為0.5-1.5mol/l。
4.根據權利要求3所述的一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效co2電還原方法，其特征在于，所述酸性電解液的配制方法包括以下步驟：
5.根據權利要求1或2任一所述的一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效co2電還原方法，其特征在于：所述酸性電解液泵入陽極腔室(31)的流速為1.0-5.0ml/min，co2通入的流速為3-100sccm。
6.根據權利要求1或2任一所述的一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效co2電還原方法，其特征在于：所述電還原過程施加的電流密度為50-300ma/cm2。
7.根據權利要求1或2任一所述的一種串聯陽極與陰極酸性電解質的高效co2電還原方法，其特征在于：所述陰極氣體擴散電極(6)采用催化材料為bi、bi2s3、bi2o3、bi2s3@cnts、bi2o3@cnts、bi-...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張代鈞，吳姍姍，江瑞陽，尹向陽，張煒烽，
申請(專利權)人：重慶大學，
類型：發明
國別省市：
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