用于二氧化碳电还原反应的高分辨核磁共振原位测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于二氧化碳电还原反应的高分辨核磁共振原位测量装置及方法，该装置包括原位核磁共振管、固定管、隔绝管、通气管、对电极、参比电极、工作电极和盖帽，工作电极上涂覆有用于二氧化碳电还原反应的催化剂，原位核磁共振管包括直径不同的第一管部和第二管部，工作电极和通气管均与固定管固定连接并延伸至第一管部内，仅工作电极部分位于样品检测区，隔绝管的底部包覆固定有离子交换膜，离子交换溶液放置在隔绝管内，对电极固定安装在隔绝管内，反应液放置在原位核磁共振管内，在持续在通气管通入二氧化碳进行电还原的同时，采用抵抗不均匀场检测技术实现原位高分辨谱图采集，实时获取电还原二氧化碳反应液相产物的定性与定量信息。物的定性与定量信息。物的定性与定量信息。

【技术实现步骤摘要】
用于二氧化碳电还原反应的高分辨核磁共振原位测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及原位电化学
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核磁共振与二氧化碳还原领域，特别是一种用于二氧化碳电还原反应的高分辨核磁共振原位测量装置及方法。

技术介绍

[0002]随着工业的高速发展，地球的生态环境正在遭到严重的破坏，二氧化碳作为温室气体随着全球变暖问题得到广泛关注，二氧化碳电还原研究关注利用电能将二氧化碳转化为有价值的燃料和化学品，特别是将二氧化碳直接还原成一些液态的例如甲酸、甲醇、乙醇等高附加值的产品具有较好前景。核磁共振技术是目前直接定量电还原二氧化碳液相产物的有效测量手段，但大多报道通过反应结束后收集溶液进行核磁测量，无法实现对原位反应过程的监测。目前仅有Michael Schatz等人提出了一种二氧化碳电还原与核磁共振波谱技术联用的电解池设计，但是该电解池无法实现实时通入二氧化碳气体的原位核磁共振测量，只能使用预先溶解二氧化碳的电解液进行电解，不能如实反映二氧化碳原位电还原反应的过程。此外，该设计直接使用三电极系统共处单电解室进行研究，对电极的氧化反应将直接干扰工作电极的还原产物测定。
[0003]原位电化学
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核磁共振能够实现非侵入性实时检测电化学反应过程，可以用于监测二氧化碳还原反应的反应物、中间产物以及最终液态产物的实时变化，有利于揭示二氧化碳还原的反应机理。但对于需要向电解液中不断通入气体的反应，常规核磁检测方法采集到的图谱数据，由于通气状态下液相核磁共振检测区域存在空气介质会导致磁场不均，进而出现NMR图谱分辨率与灵敏度较低而无法进行反应过程分析及产物定量等问题。Spatially
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Selective序列通过高斯脉冲与Z方向梯度场配合，对样品进行空间上的选择性激发，从而降低激发整个监测区域时磁场不均匀对于信号造成的影响，以达到抵抗磁场不均匀影响的目的。目前该序列对于液相核磁中气体介质存在的电化学反应实时检测并未涉及。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种用于二氧化碳电还原反应的高分辨核磁共振原位测量装置及方法。
[0005]为了实现以上目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]一种用于二氧化碳电还原反应的高分辨核磁共振原位测量装置，包括原位核磁共振管、固定管、隔绝管、通气管、三电极和盖帽，所述三电极包括对电极、参比电极和工作电极，所述工作电极上涂覆有用于二氧化碳电还原反应的催化剂，所述原位核磁共振管包括直径不同的第一管部和第二管部，所述第一管部设置在所述第二管部下方并设有核磁共振谱仪的样品检测区，所述工作电极和所述通气管均与所述固定管固定连接并延伸至所述第一管部内，所述三电极中仅所述工作电极部分位于所述样品检测区，所述对电极固定安装
在所述隔绝管内，所述隔绝管的底部包覆固定有离子交换膜，所述参比电极和所述隔绝管安装在所述第二管部内并与所述固定管间隔设置，所述通气管穿设在所述固定管的内部，用于通入二氧化碳气体，所述盖帽盖合在所述第二管部的顶部，用于二氧化碳电还原反应的离子交换溶液放置在所述隔绝管内，并且其液面至少覆盖所述对电极，用于二氧化碳电还原反应的反应液放置在所述原位核磁共振管内，并且其液面至少覆盖所述参比电极和所述离子交换膜。
[0007]作为优选，所述工作电极、对电极和参比电极分别与第一导线、第二导线和第三导线连接，所述第一导线、第二导线和第三导线分别穿过所述盖帽上的孔并与电化学工作站连接。
[0008]作为优选，所述第一导线和所述通气管并行穿过所述固定管的内部，并分别固定连接在所述固定管的底部。
[0009]作为优选，所述工作电极的材质包括碳纤维，所述参比电极的材质包括银丝，所述对电极的材质包括铂丝。
[0010]作为优选，还包括二氧化碳储气瓶和气体流量控制计，所述通气管与所述气体流量控制计和二氧化碳储气瓶连接，通过所述气体流量控制计调节所述通气管内的二氧化碳的流量。
[0011]作为优选，所述原位核磁共振管由所述第一管部与所述第二管部拼接而成，所述第一管部的直径为5mm，所述第二管部的直径为10mm。
[0012]作为优选，所述通气管包括PTFE管，直径为0.3～1mm，所述固定管和隔离管包括玻璃管，其外径为3～4mm，内径为2～3.5mm。
[0013]一种用于二氧化碳电还原反应的高分辨核磁共振原位测量方法，采用上述的用于二氧化碳电还原反应的高分辨核磁共振原位测量装置，该方法包括以下步骤：
[0014]1)将用于二氧化碳电还原反应的反应液注入原位核磁共振管中，将三电极和通气管组装，并在测试通路后插入所述原位核磁共振管中，将帽盖盖合在所述原位核磁共振管上，所述三电极通过电缆外接电化学工作站，打开电化学工作站，选择电化学测量软件及相关参数，通过所述通气管输送二氧化碳进入所述原位核磁共振管中；
[0015]2)调节气体流速并设定抵抗不均匀场的序列参数，启动电化学工作站，对二氧化碳进行电催化还原反应，并在液相核磁共振谱仪上采集高分辨核磁共振波谱信号。
[0016]作为优选，所述步骤1中将三电极和通气管组装，具体包括：
[0017]将用于二氧化碳还原反应的催化剂涂覆在工作电极上并烘干，将涂覆有催化剂的工作电极与第一导线连接，并与所述通气管并行穿过固定管的内部，且固定在所述固定管的下端；
[0018]将离子交换膜包覆固定在隔绝管的下端，将用于二氧化碳电还原反应的离子交换溶液注入所述隔绝管内，将对电极插入所述隔绝管的离子交换溶液内，将所述对电极固定在所述隔绝管的上端并与第二导线连接；
[0019]将参比电极与第三导线连接。
[0020]作为优选，所述抵抗不均匀场的序列包括Spatially
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Selective空间选择脉冲序列，其参数包括实验温度、扫描次数、采样时间、谱宽、选择脉冲宽度。
[0021]相比于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
[0022](1)本专利技术的三电极体系中将对电极放置于底部包裹有离子交换膜的隔绝管，隔绝管内注入饱和KCl溶液支持导电离子交换，从而实现对电极所处电解液环境与工作电极所处电解液环境的物理隔开，以防止在工作电极处生成的二氧化碳还原产物在对电极被氧化消耗，干扰检测。
[0023](2)本专利技术采用Spatially
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Selective空间选择序列进行核磁谱图采集，降低激发整个检测区域时磁场不均匀对于信号造成的影响，达到抵抗由于通入二氧化碳气体导致液体中空气介质存在对磁场造成不均匀影响的效果。
[0024](3)本专利技术的三电极可根据不同电化学反应所需进行更换，对于利用核磁共振技术监测气体持续通入条件下的各类电化学反应具有参考意义，而且适用于二氧化碳还原的各类电催化反应，反应物、中间产物以及生成的液相产物均可以通过核磁实时、定量检测，监测二氧化碳还原反应过程，揭示其反应机理。
附图说明
[0025]包括附图以提供对实施例的进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于二氧化碳电还原反应的高分辨核磁共振原位测量装置，其特征在于，包括原位核磁共振管、固定管、隔绝管、通气管、三电极和盖帽，所述三电极包括对电极、参比电极和工作电极，所述工作电极上涂覆有用于二氧化碳电还原反应的催化剂，所述原位核磁共振管包括直径不同的第一管部和第二管部，所述第一管部设置在所述第二管部下方并设有核磁共振谱仪的样品检测区，所述工作电极和所述通气管均与所述固定管固定连接并延伸至所述第一管部内，所述三电极中仅所述工作电极部分位于所述样品检测区，所述对电极固定安装在所述隔绝管内，所述隔绝管的底部包覆固定有离子交换膜，所述参比电极和所述隔绝管安装在所述第二管部内并与所述固定管间隔设置，所述通气管穿设在所述固定管的内部，用于通入二氧化碳气体，所述盖帽盖合在所述第二管部的顶部，用于二氧化碳电还原反应的离子交换溶液放置在所述隔绝管内，并且其液面至少覆盖所述对电极，用于二氧化碳电还原反应的反应液放置在所述原位核磁共振管内，并且其液面至少覆盖所述参比电极和所述离子交换膜。2.根据权利要求1所述的用于二氧化碳电还原反应的高分辨核磁共振原位测量装置，其特征在于，所述工作电极、对电极和参比电极分别与第一导线、第二导线和第三导线连接，所述第一导线、第二导线和第三导线分别穿过所述盖帽上的孔并与电化学工作站连接。3.根据权利要求2所述的用于二氧化碳电还原反应的高分辨核磁共振原位测量装置，其特征在于，所述第一导线和所述通气管并行穿过所述固定管的内部，并分别固定连接在所述固定管的底部。4.根据权利要求1所述的用于二氧化碳电还原反应的高分辨核磁共振原位测量装置，其特征在于，所述工作电极的材质包括碳纤维，所述参比电极的材质包括银丝，所述对电极的材质包括铂丝。5.根据权利要求1所述的用于二氧化碳电还原反应的高分辨核磁共振原位测量装置，其特征在于，还包括二氧化碳储气瓶和气体流量控制计，所述通气管与所述气体流量控制计和二氧化碳储气瓶连接，通过所述气体流量控制计调节所述通气管内的二氧化碳的流量。6.根据权利要求1所述的用于二氧化碳电还原反应的高分辨核磁共振原位测...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹烁晖，王莉娜，王奚骥，江文龙，王宇成，周志有，陈忠，孙世刚，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：