一种多功能醛-硝酸根化学电池制造技术

本发明专利技术涉及一种多功能醛

【技术实现步骤摘要】
一种多功能醛
‑
硝酸根化学电池


[0001]本专利技术属于化学品转化和污染物去除相关的化学电池领域，涉及一种多功能醛
‑
硝酸根化学电池。

技术介绍

[0002]甲醛(HCHO)是一种较高毒性物质，易溶于水，被世界卫生组织确定为致癌、致畸物质，常见于室内空气污染及工业废水中。目前，去除甲醛的方式主要包括吸附(活性炭、氧化铝和陶瓷材料)、光催化氧化、等离子体技术和芬顿试剂氧化法等。其中，活性炭等吸附剂对HCHO物理吸附受到材料的最大吸附能力、相对湿度或吸水失活等因素的限制；光催化氧化可能导致有毒副产物；芬顿试剂法是高浓度HCHO废水预处理采用最多的方法，但芬顿氧化法消耗大量的氧化剂，成本高，还存在二次污染问题。通过电催化氧化实现HCHO到甲酸(HCOOH)的转化不会形成有害副产物或二次污染物，也可通过筛选合适的催化剂将HCHO直接氧化为CO2以有效去除空气中的HCHO污染物。因此，电催化氧化HCHO是一种极具前景的去除HCHO污染物的方式。此外，将其他醛类化合物催化氧化为酸类化合物同样具有广泛的应用，例如，专利CN114653390A将5
‑
羟甲基糠醛通过电催化氧化的方式转化为2,5
‑
呋喃二甲酸；将电催化甲醛氧化代替电解水过程中的阳极析氧反应，可在消耗更少电能的条件下，同时在阴阳极均产出氢气(Nature Communication 2023,14,525)。相比于热催化方法，电催化HCHO氧化技术具有反应条件温和、操作简单、能量利用率高等优势。<br/>[0003]氨(NH3)是现代社会中的一种多用途的基础化合物，涉及化学合成、肥料、燃料和清洁能源载体等诸多领域。据统计，每年工业生产NH3超过1.5亿吨，并且其需求量还在不断增长。目前工业化合成氨的方法是以气相N2和H2为原料的合成氨工艺(Haber
‑
Bosch法)，然而，Haber
‑
Bosch法合成氨存在条件苛刻(～500℃，&gt;100atm)、对设备要求高、能耗高、转化率低等问题，其能耗超过每年全球能耗的2％。电催化N2还原合成NH3是一种清洁的合成氨方式，但由于N≡N的高稳定性，电催化N2还原合成NH3的产率和电流密度都较低，相比之下，N＝O键解离能较低(204kJ mol
‑1)，通过电催化硝酸根还原(NO3‑
RR)可实现更快的NH3产生速率(Nature Nanotechnology2022,17,759
–
767)，同时工作条件温和、设备简化、碳排量极少。硝酸根(NO3‑
)是一种丰富的氮源，存在于工业废水和受污染的地下水中，硝酸盐在水中将会对人类及其环境产生不利影响，因此，利用电催化NO3‑
还原可同时缓解工业合成氨面临的生产压力以及治理水体中硝酸盐污染。
[0004]虽然电催化醛氧化和硝酸根还原具有诸多优势，但仍是一个大量地消耗电能的过程。同时，可再生能源发电存在依赖地理环境、天气状况、不稳定等问题。由于醛类具有较高的氧化电位，而硝酸根的还原电位较低，可利用醛类氧化和硝酸根还原之间的电位差，组建醛
‑
硝酸根化学电池，阳极自发进行醛类氧化反应R
‑
CHO+H2O
→
RCOOH+2H
+
+2e
‑
或2R
‑
CHO+4OH
‑
→
2R
‑
COO
‑
+2H2O+H2+2e
‑
，阴极发生硝酸根还原反应NO3‑
+9H
+
+9e
‑
→
NH3+3H2O或NO3‑
+6H2O+8e
‑
→
NH3+9OH
‑
，同时实现醛类化合物和硝酸根的电化学转化及电能输出。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种多功能醛
‑
硝酸根化学电池，基于现阶段对环境污染的高度重视和对新型能源器件的需求。
[0007]本专利技术由醛氧化阳极、硝酸根离子还原阴极、离子交换膜和电池外壳组成。该电池阳极的醛类化合物通过导电电极或膜电极与催化剂接触，发生氧化反应：R
‑
CHO+H2O
→
RCOOH+2H
+
+2e
‑
或2R
‑
CHO+4OH
‑
→
2R
‑
COO
‑
+2H2O+H2+2e
‑
，释放电子；同时阴极的硝酸根通过导电电极或膜电极与催化剂接触，得到电子，发生还原反应：NO3‑
+9H
+
+e
‑
→
NH3+3H2O或NO3‑
+6H2O+8e
‑
→
NH3+9OH
‑
，在外电路形成电流，从而组成多功能醛
‑
硝酸根化学电池。在无外加电源的情况下，同时实现醛类向酸类的电催化氧化、硝酸根电催化合成氨和发电，具有条件温和、绿色、安全、低成本、高效率等明显优势。
[0008]本专利技术要解决的技术问题之一是连续氧化醛类化合物和还原硝酸根的醛
‑
硝酸根化学电池器件设计和性能测试。
[0009]本专利技术要解决的技术问题之二是高活性、高稳定性的醛氧化和硝酸根还原电催化剂的设计和筛选。
[0010]技术方案
[0011]一种多功能醛
‑
硝酸根化学电池，包括阴极、阴极和电解液；其特征在于：阴极电解池中的电解液中加入硝酸根离子化合物，在反应输出端或反应后电解液中收集产物氨；阳极电解液中加入醛类化合物，在反应输出端或反应后电解液中收集酸类产物；所述阳极自发进行醛类氧化反应，阴极发生硝酸根还原反应，阳极甲醛的氧化及阴极硝酸根离子的还原之间的电势差产生定向移动的电子，在外电路形成电流。
[0012]所述阴极电解液和阳极电解液为酸性、中性、碱性电解质或固体电解质，包括但不限于：0.01～5M的HCl、0.01～5M的H2SO4、0.01～5M的KCl溶液、0.01～10M的KHCO3溶液或0.01～10M的KOH溶液。
[0013]所述醛类化合物包括但不限于甲醛、乙醛、丙醛、糠醛、月桂醛、肉豆蔻醛、2
‑
壬烯醛、反
‑4‑
癸烯醛、十一烯醛、壬二烯醛、苯甲醛、苯乙醛、苯丙醛、桂醛、香兰素、乙基香兰素、羟基香茅醛、三甲基庚烯醛等气态或液态含醛基的化合物或含醛基的化合物的混合物。
[0014]所述硝酸根离子化合物原料包括但不限于硝酸钠、硝酸钾、硝酸铵、硝酸钙、硝酸铅、硝酸铈等含硝酸根离子的化合物或含硝酸根离子的混合物。
[0015]所述电解池采用流动式电解池或H型电解池。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多功能醛
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硝酸根化学电池，包括阴极、阳极和电解液；其特征在于：阴极电解池中的电解液中加入硝酸根离子化合物，在反应输出端或反应后电解液中收集产物氨；阳极电解液中加入醛类化合物，在反应输出端或反应后电解液中收集酸类产物；所述阳极自发进行醛类氧化反应，阴极发生硝酸根还原反应，阳极甲醛的氧化及阴极硝酸根离子的还原之间的电势差产生定向移动的电子，在外电路形成电流。2.根据权利要求1所述多功能醛
‑
硝酸根化学电池，其特征在于：所述阴极电解液和阳极电解液为酸性、中性、碱性电解质或固体电解质，包括但不限于：0.01～5M的HCl、0.01～5M的H2SO4、0.01～5M的KCl溶液、0.01～10M的KHCO3溶液或0.01～10M的KOH溶液。3.根据权利要求1所述多功能醛
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硝酸根化学电池，其特征在于：所述醛类化合物包括但不限于甲醛、乙醛、丙醛、糠醛、月桂醛、肉豆蔻醛、2
‑
壬烯醛、反
‑4‑
癸烯醛、十一烯醛、壬二烯醛、苯甲醛、苯乙醛、苯丙醛、桂醛、香兰素、乙基香兰素、羟基香茅醛、三甲基庚烯醛等气态或液态含醛基的化合物或含醛基的化合物的混合物。4.根据权利要求1所述多功能醛
‑
硝酸根化学电池，其特征在于：所述硝酸根离子化合物原料包括但不限于硝酸钠、硝酸钾、硝酸铵、硝酸钙、硝酸铅、硝酸铈等含硝酸根离子的化合物或含硝酸根离子的混合物。5.根据权利要求1所述多功...

【专利技术属性】
技术研发人员：张健，蒋如意，安思盈，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：