本发明专利技术公开了一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置及方法。催化剂合成后再采用低温等离子体技术来改性，提升Cu基催化剂催化二氧化碳电还原效率。相比二氧化碳气体通入膜电极组件MEA进行直接电催化还原合成多碳产物，本发明专利技术将二氧化碳气体通过自制的电晕低温等离子体反应器，实现对惰性二氧化碳气体激发活化，经电晕反应后的等离子体通入到膜电极组件MEA的阴极反应室的催化剂层中，促进二氧化碳电还原为多碳产物。本发明专利技术有效解决惰性二氧化碳在传统电解池难活化、难转化的问题，实现新型等离子体技术和电催化CO2还原工艺的交叉耦合，为电还原二氧化碳气体向液体燃料方向转化，解决目前二氧化碳排放和能源短缺问题提供新工艺。源短缺问题提供新工艺。源短缺问题提供新工艺。
【技术实现步骤摘要】
一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置及方法
[0001]本专利技术是属于低温等离子体技术和电催化二氧化碳的
，尤其涉及一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置及方法，通过等离子体技术和电催化技术相结合，高效促进二氧化碳气体向多碳产物的转化。
技术介绍
[0002]目前涉及到CO2转化的方式主要有光催化、热催化和电催化等，如果能够将CO2转化为我们可以使用的多碳化合物，不仅能够解决CO2所带来的环境污染问题，同时还能解决当前世界所面临的能源短缺问题。
[0003]电催化CO2转化对反应条件要求较低，反应速率较快，反应过程便于调节等众多优点，所以备受瞩目。目前基于Cu基催化剂催化CO2向多碳产物转化的研究技术较为成熟，通过调整不同Cu元素的价态、Cu基催化剂的表面结构和组成、引入其它的金属元素等手段，促进或改变CO2电催化还原为多碳产物。但由于CO2作为惰性气体，其C＝O双键具有较高的稳定性，在电催化过程需要较高的能量断裂其C＝O双键(803kJ/mol)，使其处于活化状态，并且传统电催化过程在液体电解质中进行，强烈的析氢反应也会对CO2转化进行抑制，导致能源利用效率较低，所以电催化CO2转化为多碳产物依然面临着对于多碳产物难合成、产率较低等问题。
[0004]低温等离子体技术，主要是通过高压放电技术，在常温常压的环境下就能对惰性气体分子进行活化。通过高压电源提供电能用于激发惰性CO2气体分子，通过生成的高能电子进行高频碰撞，形成一系列的离子、自由基、激发态分子等活化成分。因此采用低温等离子体技术活化CO2气体分子，将CO2分子激发为活化状态后，再通过电催化的技术手段，将更有利于生成多碳化合物。此外低温等离子体技术具有设备简单、易于操作等优点。
[0005]将CO2转化为多碳有机物是目前研究的热点之一，面对化石能源的不断消耗，寻找新的可替代能源已经迫在眉睫，多碳化合物在使用过程中又会重新生成CO2气体，对CO2气体进行循环利用的技术，是非常具有研究前景的。因此采用低温等离子体技术与电催化CO2还原技术进行结合，生成绿色能源，再通过可再生能源作为低温等离子体技术和电催化过程的能源供给，可以形成真正的绿色、无污染、零排放的可再生能源循环利用系统。
[0006]因此本专利技术通过耦合低温等离子体技术与CO2电催化技术，有望改变目前CO2转化难，产物选择性低的困难，从而合成具有更好应用前景的多碳产物。
技术实现思路
[0007]本专利技术是基于目前CO2电催化的效率低，多碳目标产物的选择性较低的问题，所提出的一种促进CO2向多碳目标产物转化的装置及方法。通过低温等离子体技术激发CO2分子的活化状态，从而促进CO2射流等离子气体在膜电极组件MEA中进行高效的转化。该方法具有工艺流程简单、工作要求条件较低、产物实用价值高、环境友好、反应操作灵活等优点。
[0008]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，该装置包括串联的射流等离子体阵列和膜电极组件MEA；
[0009]所述射流等离子体阵列含有六个串联连接且均匀排列的高压电极，增强二氧化碳气体被激活的停留时间，促进更多的惰性二氧化碳气体转化为等离子体状态，处于激发状态的二氧化碳气体被通入到膜电极组件MEA阴极反应室的催化剂层中，被还原为多碳产物；
[0010]所述膜电极组件MEA采用Cu基催化剂，所述Cu基催化剂采用低温等离子体技术进行处理，通过等离子处理催化剂表面和碳纸表面，进行物理改性，使催化剂和碳纸表面具有疏水效果，抑制析氢反应(HER)，膜电极组件MEA的阳极反应室的电解液采用氯化钾溶液，其中氯离子与Cu基催化剂金属原子的电子的电子云之间产生相互作用，进行化学改性，改变CO2电还原过程的电荷密度和提高多碳产物的选择性。
[0011]进一步地，射流等离子体阵列最外层通过绝缘密封材料进行密封，高压电极通过绝缘螺丝固定在密封腔中，整个密封腔长度为280mm，高度为60mm，宽度为100mm，整个射流等离子体阵列均处于密封状态，在常温常压下即可进行工作。
[0012]进一步地，所述高压电极高度为80mm、直径为2mm，每个高压电极之间的间隔为40mm。
[0013]进一步地，所述高压电极由高压电源提供电能。
[0014]进一步地，Cu基催化剂选择CuPd、CuFe、CuAg、CuNi双金属催化剂。
[0015]进一步地，射流等离子体阵列的二氧化碳进气口上安装有二氧化碳质量流量计。
[0016]进一步地，该装置还包括电化学工作站，所述电化学工作站包括阴极电极夹、参比电极夹和阳极电极夹；膜电极组件MEA包括CO2进气口，气体出气口，阳极电解液输入口，阳极电解液输出口，阴极催化剂层，阴离子交换膜，阳极催化剂层，阴极工作电极，阳极工作电极，膜电极组件MEA的两个催化剂层之间通过阴离子交换膜将两极分隔，只允许阴离子在两极之间进行交换，防止阳离子对反应过程的影响；
[0017]将电化学工作站的阴极电极夹、阳极电极夹与膜电极组件MEA的阴极工作电极、阳极工作电极对应依次连接，并且将电化学工作站的阳极电极夹和参比电极夹进行短接，经射流等离子体阵列激活后二氧化碳气体经过CO2进气口通入阴极催化剂层中，反应产生的气体产物经气相色谱在线检测，液相产物在阴极反应液中每一时收集一次，再通过核磁共振氢谱 (NMR)进行分析。
[0018]另一方面，本专利技术还提供了一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的方法，该方法包括以下步骤：
[0019](1)通过调整二氧化碳质量流量计的参数，控制通入射流等离子体阵列中二氧化碳气体的流速，射流等离子体阵列连接高压电源，六个高压电极采用辉光放电的方式用于击穿二氧化碳产生等离子体；
[0020](2)将二氧化碳等离子射流气体通过膜电极组件MEA的CO2进气口进入膜电极组件 MEA的阴极催化剂层中，阳极电解液采用0.1mol/l的氯化钾溶液，并在反应开始之前，先通入30min的二氧化碳射流等离子体气体，使阳极电解液与阴极的CO2等离子体充分混合状态；
[0021](3)将制备好Cu基催化剂称量10mg，溶解在1.85ml的异丙醇和0.05ml的质量分数5％的Nafion混合溶液中，超声震荡30min后取1.8ml的混合溶液喷涂在2.5*2.5cm的碳纸
上；
[0022](4)组装膜电极组件MEA，将喷涂上Cu基催化剂的碳纸放置在膜电极组件MEA的阴极催化剂层，阴离子交换膜放置在阴极催化剂层和阳极催化剂层中间位置，打开电化学工作站，采用循环伏安法(CV)对Cu基催化剂进行预处理，待电流形成稳定后，采用计时电流法进行电化学反应测试；
[0023](5)收集膜电极组件MEA中产生的气体和液相产物，气相产物通过气相色谱仪进行分析，液相产物通过核磁共振氢谱(NMR)进行测试；
[0024](6)液相产物的分析需要使用氘代的DMSO试剂本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，其特征在于，该装置包括串联的射流等离子体阵列(1)和膜电极组件MEA(17)；所述射流等离子体阵列(1)含有六个串联连接且均匀排列的高压电极(5)，增强二氧化碳气体被激活的停留时间，促进更多的惰性二氧化碳气体转化为等离子体状态，处于激发状态的二氧化碳气体被通入到膜电极组件MEA(17)阴极催化剂层中，被还原为多碳产物；所述膜电极组件MEA(17)采用Cu基催化剂，所述Cu基催化剂采用低温等离子体技术进行处理，通过等离子处理催化剂表面和碳纸表面，进行物理改性，使催化剂和碳纸表面具有疏水效果，抑制析氢反应(HER)，膜电极组件MEA(17)的阳极反应室的电解液采用氯化钾溶液，其中氯离子与Cu基催化剂金属原子的电子的电子云之间产生相互作用，进行化学改性，改变CO2电还原过程的电荷密度和提高多碳产物的选择性。2.根据权利要求1所述的一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，其特征在于，射流等离子体阵列(1)最外层通过绝缘密封材料进行密封，高压电极(5)通过绝缘螺丝固定在密封腔中，整个密封腔长度为280mm，高度为60mm，宽度为100mm，整个射流等离子体阵列(1)均处于密封状态，在常温常压下即可进行工作。3.根据权利要求1所述的一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，其特征在于，所述高压电极(5)高度为80mm、直径为2mm，每个高压电极之间的间隔为40mm。4.根据权利要求1所述的一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，其特征在于，所述高压电极(5)由高压电源(7)提供电能。5.根据权利要求1所述的一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，其特征在于，Cu基催化剂选择CuPd、CuFe、CuAg、CuNi双金属催化剂。6.根据权利要求1所述的一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，其特征在于，射流等离子体阵列(1)的二氧化碳进气口(2)上安装有二氧化碳质量流量计。7.根据权利要求1所述的一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，其特征在于，该装置膜电极组件MEA(17)包括CO2气体进气口(8)、气体出气口(9)、阳极电解液输入口(10)、阳极电解液输出口(11)、阴极催化剂层(12)、阴离子交换膜(13)、阳极催化剂层(14)、阴极工作电极(15)和阳极工作电极(16)；膜电极组件MEA的两极...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴昂键，王东东，林晓青，范家峰，彭亚旗，祈志福，吴浩斌，张浩，李晓东，朱松强，严建华，
申请(专利权)人：浙江省能源集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。