一种无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器

摘要

本发明公开了一种无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器，包括阴极盖板、电解液流场板和阳极底板，所述电解液流场板的中部为镂空结构；其特征在于:在阴极盖板上设置有阴极电极卡槽一和阳极电极卡槽一,在电解液流场板上与阴极电极卡槽一和阳极电极卡槽一相对应部位分别设置有阳极电极卡槽二和阴极电极卡槽二,在阳极底板上与阳极电极卡槽二和阴极电极卡槽二相对应部位分别设置有阳极电极卡槽三和阴极电极卡槽三；阳极和阴极分别贯穿阴极盖板、电解液流场板和阳极底板，插入阳极电极卡槽一、二、三和阴极电极卡槽一、二、三中；本发明可广泛应用在能源、化工、环保等领域。

权利要求

1.一种无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器，包括阴极盖板(10)、电解液流场板(11)和阳极底板(12)，所述电解液流场板(11)中部为镂空结构；其特征在于:在阴极盖板(10)上设置有阴极电极卡槽一(3)和阳极电极卡槽一(4),在电解液流场板(11)上与阴极电极卡槽一(3)和阳极电极卡槽一(4)相对应部位分别设置有阳极电极卡槽二(18)和阴极电极卡槽二(19),在阳极底板(12)上与阳极电极卡槽二(18)和阴极电极卡槽二(19)相对应部位分别设置有阳极电极卡槽三(16)和阴极电极卡槽三(17)；阳极和阴极分别贯穿阴极盖板(10)、电解液流场板(11)和阳极底板(12)，分别插入阳极电极卡槽一、二、三和阴极电极卡槽一、二、三中，阳极和阴极将电解液流场板(11)的镂空部分分隔为阳极气体扩散腔室(15)、电解液流道(9)以及阴极气体通道(14)，电解液流道(9)位于阳极和阴极之间；在阴极盖板(10)上设置有阴极二氧化碳进气孔(1)、出气孔(2)和参比电极孔(7)，参比电极孔(7)与电解液流道(9)相连通，阴极二氧化碳进气孔(1)和出气孔(2)位于阴极气体通道(14)的上方，并与阴极气体通道(14)相贯通；在阳极底板(12)上设置有阳极气体逸出窗口(13)、电解液入口(5)和出口(6)，电解液入口(5)和出口(6)与电解液流道(9)相连通；阳极气体逸出窗口(13)与阳极气体扩散腔室(15)相连通，以便阳极产生的气体逸出。

2.根据权利要求1所述的一种无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器，其特征在于:阴极盖板(10)与电解液流场板(11)之间、电解液流场板(11)与阳极底板(12)之间均设置有硅胶垫片，并由螺栓插入螺栓孔(20)进行固定连接，使反应器阴极盖板(10)、电解液流场板(11)和阳极底板(12)密封配合，以防止电解液漏液和气体逃逸。

3.根据权利要求1所述的一种无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器，其特征在于:在阴极盖板(10)上阴极电极卡槽一(3)和阳极电极卡槽一(4)之间区域设置为可视化窗口(8)，以通过该窗口对流道里的气液两相流动进行可视化拍摄。

4.根据权利要求1所述的一种无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器，其特征在于:阴极盖板(10)、电解液流场板(11)和阳极底板(12)均由透光材料加工制成。

说明书

一种无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器

技术领域

[0001] 本发明涉及电化学还原二氧化碳反应器，具体涉及一种可实现气液两相流动的无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器。

背景技术

[0002] 众所周知，二氧化碳是温室气体的主要成分之一。自工业革命以来，大量化石能源的应用确实促进了人类的各项生产活动，给人们的生活带来了极大的便利，但同时也造成了二氧化碳大量排放。这不仅加剧了全球的“温室效应”，同时还造成海平面上升、气候反常等一系列环境问题。据“全球碳计划”国际组织发布的报告，2020年全球向大气中排放约340亿吨二氧化碳，但由于全球疫情影响，该数据较2019年相比下降24亿吨。专家预测，如果大量的二氧化碳继续排放，那么全球的环境问题将更加严峻。因此，面对日益严重的“温室效应”和能源危机，节能减排刻不容缓且势在必行。

[0003] 二氧化碳在常温常压下为无色无毒气体，不可燃烧，微溶于水。目前对二氧化碳回收与利用技术主要分为吸收法、封存法、催化加氢法、光催化还原、电化学还原等。其中，电化学还原二氧化碳是当前研究的热点，其主要原理为：通过对电解池施加一定的电压，在阳极侧发生水的氧化反应，失去电子并生成氧气和质子；在阴极侧发生二氧化碳的还原的反应，得到电子和质子并生成还原产物。常见的电化学还原二氧化碳产物有甲酸、甲醇、一氧化碳，乙烯等。该方法具有反应条件温和、产物选择性高等优点，同时可以将来自间歇式不稳定的太阳能和风能等能源转化为燃料进行储存。

[0004] 目前电化学还原二氧化碳的反应器主要有传统H型反应器和流动式反应器两类。由于二氧化碳在H型反应器的电解液中溶解度很小，导致反应物难以快速到达电极，所以反应速率较低。而流动型反应器由于可布置气体扩散电极，从而可实现气态二氧化碳直接到达电极表面，增加反应速率。阳极发生水的氧化反应时会生成氧气，阴极发生二氧化碳还原反应时，也会有气相产物生成，比如一氧化碳、氢气等，在电解液流道中形成气液两相流动，从而影响电化学还原的性能，对其中气液两相的流动进行可视化研究对反应器的设计及性能的提升至关重要。此外，常见的流动型反应器需要使用质子交换膜，实现氢离子由阳极向阴极的传输，并且防止阴极生成的产物扩散至阳极被氧化。但是质子交换膜价格昂贵，且膜的使用会带来相应的膜老化降解等问题。

[0005] 综上所述，亟需设计一种可实现气液两相流动可视化、无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题在于提出了一种能够实现气液两相流动的无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器。

[0007] 本发明的技术方案是：一种无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器，包括阴极盖板、电解液流场板和阳极底板，所述电解液流场板中部为镂空结构；其特征在于:在阴极盖板上设置有阴极电极卡槽一和阳极电极卡槽一,在电解液流场板上与阴极电极卡槽一和阳极电极卡槽一相对应部位分别设置有阳极电极卡槽二和阴极电极卡槽二,在阳极底板上与阳极电极卡槽二和阴极电极卡槽二相对应部位分别设置有阳极电极卡槽三和阴极电极卡槽三；阳极和阴极分别贯穿阴极盖板、电解液流场板和阳极底板，分别插入阳极电极卡槽一、二、三和阴极电极卡槽一、二、三中，阳极和阴极将电解液流场板的镂空部分分隔为阳极气体扩散腔室、电解液流道以及阴极气体通道，电解液流道位于阳极和阴极之间；在阴极盖板上设置有阴极二氧化碳进气孔、出气孔和参比电极孔，参比电极孔位于电解液流道的上方，阴极二氧化碳进气孔和出气孔位于阴极气体通道的上方,并与阴极气体通道相连通；在阳极底板上设置有阳极气体逸出窗口、电解液入口和出口，电解液入口和出口与电解液流道相连通；阳极气体逸出窗口与阳极气体扩散腔室相连通，以便阳极产生的气体逸出。

[0008] 根据本发明所述的一种无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器的优选方案，阴极盖板与电解液流场板之间、电解液流场板与阳极底板之间均设置有硅胶垫片，并由螺栓插入螺栓孔进行固定连接，使反应器阴极盖板、电解液流场板和阳极底板密封配合，以防止电解液漏液和气体逃逸。

[0009] 根据本发明所述的一种无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器的优选方案，在阴极盖板上阴极电极卡槽一和阳极电极卡槽一之间区域设置为可视化窗口，以通过该窗口对流道里的气液两相流动进行可视化拍摄。可视化设备放置于阴极盖板正上方进行拍摄和观测。

[0010] 根据本发明所述的一种无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器的优选方案，所述反应器的阴极盖板、电解液流场板和阳极底板均由透光材料制成。

[0011] 本发明所述的一种可实现气液两相流动可视化的无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器的有益效果是:

[0012] (1)电极采用垂直于电解液流场板的方式布置，不同于当前流动式反应器的电极平行于流场板的“三明治”布置方式，由此电解液流道中的气液两相流动可透过阴极盖板由可视化设备进行观测，研究气泡对电解液流动的影响，以及对电化学还原性能的影响；

[0013] (2)无膜的结构可节省由于质子交换膜带来的高昂成本，同时避免膜的老化降解问题；

[0014] (3)电极采用贯穿于反应器的布置方式，可直接连接电化学工作站，省去集电体，减小接触电阻；同时可在不需要拆解反应器的条件下，即对电极进行更换，方便高效。

[0015] 本发明可广泛应用在能源、化工、环保等领域。

附图说明

[0016] 图1是本发明所述的一种无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器的结构示意图。

[0017] 图2是图1的主视图。

[0018] 图3是图1的后视图。

具体实施方式

[0019] 参见图1至图3，一种无膜流动式电化学还原二氧化碳反应器，包括阴极盖板10、电解液流场板11和阳极底板12，所述电解液流场板11的中部为镂空结构；在阴极盖板10上设置有阴极电极卡槽一3和阳极电极卡槽一4,在电解液流场板11上与阴极电极卡槽一3和阳极电极卡槽一4相对应部位分别设置有阳极电极卡槽二18和阴极电极卡槽二19,在阳极底板12上与阳极电极卡槽二18和阴极电极卡槽二19相对应部位分别设置有阳极电极卡槽三16和阴极电极卡槽三17；阳极和阴极分别贯穿阴极盖板10、电解液流场板11和阳极底板12，分别插入阳极电极卡槽一、二、三和阴极电极卡槽一、二、三中，阳极和阴极将电解液流场板
11的镂空部分分隔为阳极气体扩散腔室15、电解液流道9以及阴极气体通道14；阳极气体扩散腔室位于阳极，电解液流道9位于阳极和阴极之间，阴极气体通道14位于阴极侧；在阴极盖板10上设置有阴极二氧化碳进气孔1、出气孔2和参比电极孔7，参比电极孔7与电解液流道9的相连通；阴极二氧化碳进气孔1和出气孔2位于阴极气体通道14的上方，并与阴极气体通道14相贯通；在阳极底板12上设置有阳极气体逸出窗口13、电解液入口5和出口6，电解液入口5和出口6与电解液流道9相连通；阳极气体逸出窗口13与阳极气体扩散腔室15相连通，以便阳极产生的气体逸出。

[0020] 在具体实施例中，阴极盖板10、电解液流场板11和阳极底板12均由透光材料加工制造。

[0021] 所述反应器中，阴极盖板10与电解液流场板11之间、电解液流场板11与阳极底板12之间均设置有硅胶垫片，并由螺栓插入螺栓孔20进行固定连接，使反应器阴极盖板10、电解液流场板11和阳极底板12密封配合，以防止电解液漏液和气体逃逸。

[0022] 在阴极盖板10上阴极电极卡槽一3和阳极电极卡槽一4之间区域设置为可视化窗口8，以通过该窗口对流道里的气液两相流动进行可视化拍摄。

[0023] 具体应用时，首先对阴极盖板10与电解液流场板11、电解液流场板11与阳极底板12以及硅胶垫片反复进行超声清洗三次，随后烘干，接着完成反应器的组装和电极的布置。

[0024] 将整个反应器水平放置，阴极盖板10朝上。阴、阳电极通过阳极电极卡槽一、二、三和阴极电极卡槽一、二、三贯穿整个反应器，其中一侧与阴极盖板10平齐，超出阳极底板12的部分通过导线直接与电化学工作站连接。在对电解液流道9中的气液两相流动进行可视化观测时，可通过阴极盖板10上的可视化窗口8对电化学反应区域进行俯拍。参比电极在插入参比电极孔7之前需进行校准。

[0025] 二氧化碳进气口1用于向反应器持续不断的供入反应气体，出气口2用于连接气袋收集电化学还原反应产生的气体产物以及未参与反应的二氧化碳，可使用气相色谱进行测试分析。电解液通过微泵由电解液入口5持续供入，出口6用于收集随电解液一起排出的液相产物，随后可供离子色谱分析测试。参比电极通过参比电极孔7实现与电解液流道9中电解液进行接触。

[0026] 通入合适流量的气体约五分钟，接着再通入电解液。二氧化碳进气量由气体流量计控制，气体产物与多余的二氧化碳则由气袋进行收集；电解液流量由微泵进行控制，液相产物随电解液一起流出，由离心管进行收集。气体与液体的外部进出均可由橡胶软管进行连接和传输。在电解液流动稳定后，开始电化学还原反应。等到反应电流稳定后，在出气口2开始连接气袋收集气体，同时在出口6使用离心管收集液体，30分钟后结束并开始下一个工况的测试。

[0027] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。