一种电化学锂介导氮还原反应的气体扩散电解池及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种电化学锂介导氮还原反应的气体扩散电解池及应用，该电解池主体包括阴极气室板(1)、阴极液室板(2)，阳极液室板(3)和阳极端板(4)，阴极液室板(2)和阳极液室板(3)内均开有腔体，腔体内部加注电解液；阴极气室板(1)内开设有气室腔体，阴极(6)置于阴极气室板(1)与阴极液室板(2)之间，阳极(7)置于阳极液室板(3)和阳极端板(4)之间。与传统H型电解池相比，该电解池可以显著提升氮气的传质速率，进而提升氮还原反应性能。该电解池操作简单，维护方便，具备广阔的应用前景。具备广阔的应用前景。具备广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种电化学锂介导氮还原反应的气体扩散电解池及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电化学氮气还原合成氨
，涉及一种氮还原反应电解池的设计和应用。

技术介绍

[0002]氨在现代社会中与人类的生产生活关系密切，从20世纪初哈伯反应诞生以来，该反应成为工业领域合成氨的最主要方法，并沿用至今。尽管该方法已经经过若干轮重大改进，但是整个过程仍需要在较高的温度和压力下运行，且反应过程所需的氢气来源于蒸汽重整反应，这导致该反应占据了全球约1％～2％的能源消耗和二氧化碳排放。近年来，科研人员提出锂介导氮气还原反应可以作为哈伯反应的一种替代合成氨方式，它以可再生电能为能量输入减少了潜在的二氧化碳排放和能源消耗。锂介导氮气还原合成氨还具备选择性高，生产装备易小型化的的特点，受到科研人员的广泛关注。
[0003]当前锂介导合成氨主要采用液态溶液做电解质，由于氮气本身是一种惰性且非极性气体，难溶于绝大多数溶剂，这使得合成氨性能大幅受限于氮气分子在电解液中的溶解和传质。合成氨速率受限于氮气在电解液中的溶解度。Andersen等人(Andersen,S.Z.,et al.,A rigorous electrochemical ammonia synthesis protocol with quantitative isotope measurements,Nature,2019)使用常规单室电解池，搭配含有乙醇和高氯酸锂的四氢呋喃做电解液，在2～3mA cm
‑2下，实现了0.8μmol/(h cm2)的合成氨速率，反应速率主要受限于氮气的溶解度和传质速率。Li等人(Li,K.,etal.,Increasing Current Density of Li
‑
Mediated Ammonia Synthesis with High Surface Area Copper Electrodes,ACS Energy Letters,2021)采用沉积有铜的泡沫镍做电极，并并使用高压反应釜(20bar)提升氮气在电解液中的溶解度，最终实现了165μmol/(h cm2)的合成氨速率。但该方法依旧依赖较高的反应压力，增加了应用难度和能量消耗。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电化学锂介导氮还原反应的气体扩散电解池及其制备方法和应用，通过在电极表面形成“气
‑
液
‑
固”三相界面，显著提升氮气的传质效率，进而提升合成氨性能。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种电化学锂介导氮还原反应的气体扩散电解池，该电解池主体包括阴极气室板、阴极液室板，阳极液室板和阳极端板，阴极液室板和阳极液室板内均开有腔体，腔体内部加注电解液(即阴极液室板内设有阴极液室，阳极液室板内设有阳极液室)；阴极气室板内开设有气室腔体(即阴极气室)，阴极置于阴极气室板与阴极液室板之间，阳极置于阳极液室板和阳极端板之间。
[0006]在电解过程中，阴极气室内压力受排气口处的水柱调控，高于阴极液室内的压力，两侧压力差的作用下，阴极液室内的电解液被限制在气体扩散电极的一侧，而气体扩散电
极的另一侧紧靠气室，最终在电极表面形成了“气
‑
液
‑
固”三相界面，该三相界面显著提升了氮气分子的传质能力。
[0007]进一步地，所述的阴极气室板、阴极液室板，阳极液室板内开的腔体形状是圆形，椭圆形，正方形或长方形，优选，边长/直径在0.5～10cm的正方形或圆形；
[0008]所述的阴极气室板、阴极液室板，阳极液室板和阳极端板的厚度是0.5～3cm。
[0009]进一步地，所述的阴极为工作电极，使用气体扩散电极，气体扩散电极为不锈钢网，泡沫铜，泡沫镍，或碳纸，阴极上贴有导电铜箔，以施加电流/电位。
[0010]进一步地，所述的阳极为对电极，使用铂片或钛片，阳极上贴有导电铜箔，以施加电流/电位。
[0011]进一步地，所述的阴极液室板，阳极液室板之间置有隔膜，用于阻挡氨产物从阴极侧扩散至阳极侧，或阳极侧的氧化产物扩散至阴极。
[0012]进一步地，所述的阴极，阳极和隔膜两侧均置有密封垫片，用于防止气体和电解液从两侧渗出。
[0013]进一步地，所述的阴极液室板侧壁插入有参比电极，即阴极液室板侧壁开有与外界连通的小孔，用于插入参比电极，小孔配有密封螺丝和密封垫圈，用于防止电解液渗漏；
[0014]阴极液室板和阳极液室板上方均开有与外界连通的小孔，用于平衡液室内的气体压力。
[0015]进一步地，所述的阴极气室板两侧分别设有气体入口和气体出口，进出气口配有密封螺丝和密封垫圈，用于防止气体渗漏，气体从一侧流入，充满整个气室腔体后从另一侧流出，依次进入含有酸液的尾气吸收装置和含有水的量筒中，尾气吸收装置用于吸收电解过程中被气流带出的氨，量筒用于施加气体侧的气体背压，背压大小由量筒内的水柱高低决定。
[0016]本专利技术还提供一种电化学锂介导氮还原反应的气体扩散电解池的应用，将所述电解池用于液态电解质中发生的，反应物包含气体分子的电催化反应。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0018]1.与常规H型电解池相比，本专利技术提出的气体扩散电解池设计可以显著提升难溶性气体分子的传质效率，进而提升反应速率；常规的H型电解池中，氮气分子需要先溶解在电解液中，进而达到电极表面参与反应；而在本专利技术提出的气体扩散电解池中，由于在电极表面形成了“气
‑
液
‑
固”三相界面，气体分子无需溶解在电解液中，可以直接到达电极表面，故显著提升了反应效率。
[0019]2.与高压电解池相比，本专利技术提供的电解池可以在常压下运行，有助于降低能量消耗，简化电解池结构设计；由于传统电解池中氮气分子的传质速率与氮气在电解液中的溶解度正相关，研究者通常采用高压电解池来提升氮气分子在电解液中中的溶解度，进而提升传质效率，但该方法将增加能量消耗，并提升电解池的设计难度和成本。得益于本专利技术中的“气
‑
液
‑
固”三相界面，氮气分子可以直接到达反应界面，在常压下即可实现高效传质。
[0020]3.与传统膜电极式气体扩散电解池相比，本专利技术提出的电解池对液态电解液兼容，适用于有机系/水系环境。传统的气体扩散电解池使用碳纸做气体扩散电极，有机溶液一般和碳纸之间具备很强的亲和性，进而导致溶液堵塞碳纸中的微孔，降低传质效率，故传统膜电极适用于水系环境。本专利技术提出的电解池的核心是压力差维持的“气
‑
液
‑
固”三相界
面，气液两相交界面收压力差控制，故水系/有机系电解液均并不会堵塞电极。
[0021]4.本专利技术还具备良好的适应性，适用于任何在液态电解质中发生的，反应物包含气体分子的电催化反应，如二氧化碳还原反应，氢氧化反应等。
附图说明
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电化学锂介导氮还原反应的气体扩散电解池，其特征在于，该电解池主体包括阴极气室板(1)、阴极液室板(2)，阳极液室板(3)和阳极端板(4)，阴极液室板(2)和阳极液室板(3)内均开有腔体，腔体内部加注电解液；阴极气室板(1)内开设有气室腔体，阴极(6)置于阴极气室板(1)与阴极液室板(2)之间，阳极(7)置于阳极液室板(3)和阳极端板(4)之间。2.根据权利要求1所述的一种电化学锂介导氮还原反应的气体扩散电解池，其特征在于，所述的阴极气室板(1)、阴极液室板(2)，阳极液室板(3)内开的腔体形状是圆形，椭圆形，正方形或长方形；所述的阴极气室板(1)、阴极液室板(2)，阳极液室板(3)和阳极端板(4)的厚度是0.5～3cm。3.根据权利要求1所述的一种电化学锂介导氮还原反应的气体扩散电解池，其特征在于，所述的阴极(6)为工作电极，使用气体扩散电极，气体扩散电极为不锈钢网，泡沫铜，泡沫镍，或碳纸，阴极(6)上贴有导电铜箔，以施加电流/电位。4.根据权利要求1所述的一种电化学锂介导氮还原反应的气体扩散电解池，其特征在于，所述的阳极(7)为对电极，使用铂片或钛片，阳极(7)上贴有导电铜箔，以施加电流/电位。5.根据权利要求1所述的一种电化学锂介导氮还原反应的气体扩散电解池，其特征在于，所述的阴极液室板(2)，阳极液室板(3)之间置有隔膜(8)，用于阻挡氨产物从阴极侧扩散至阳极侧，或阳极侧的氧化产物扩散至阴极。6.根据权利要求5所述的一种电化学锂介导氮还...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏光华，蔡熙阳，章俊良，杨帆，祖丽皮亚，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：