一种电化学合成氨装置及利用该装置合成氨的方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种电化学合成氨装置，包括依次接触设置的阴极流道板

【技术实现步骤摘要】
一种电化学合成氨装置及利用该装置合成氨的方法、应用


[0001]本专利技术涉及电化学合成氨
，具体涉及一种电化学合成氨装置及利用该装置合成氨的方法
、
应用
。

技术介绍

[0002]在我国化工和能源行业当中，合成氨工艺流程复杂，同时反应还需在高温高压催化剂氛围中进行，消耗大量的能量，是化工和能源行业五大耗能重点之一，同时副产的二氧化碳部分或全部排放，直接会导致温室效应，从而进一步产生严重的环境问题
。
与此同时常温常压电催化合成氨的方式也在逐渐兴起，但是其不能实现连续式合成氨，没有回收锂的过程，效率和产率低
。
[0003]如
2019
年麻省理工的
Manthiram
在
Joule(3,1
‑
13,April 17,2019
，
Understanding Continuous Lithium
‑
Mediated Electrochemical Nitrogen Reduction)
中提出了联合的动力传输模型，指出高电流密度下
N
传输的限制影响了锂式氮还原
。
研究了
N2分压
、
电流密度
、
质子源浓度的影响，最高氨产率为
7.9
×
10
‑9mol cm
‑2s
‑1，效率为
18.5
％
。/>但是，其中没有再生回收金属锂的过程
。
[0004]2017
年韩国
Jong
‑
In Han
课题组在
ChemSusChem(10.1002/cssc.201701975
，
Electrochemical Synthesis of Ammonia from Water and Nitrogen:A Lithium
‑
Mediated Approach Using Lithium
‑
Ion Conducting Glass Ceramic)
上报道了三步骤的锂式电还原固氮步骤，第一步为电镀锂，第二步为氮化，第三部为氨形成
。
以
N2和
H2O
为原料制备氨，
FE
为
52.3
％
。
但是，该技术为3步法合成氨，不能实现连续式合成氨，不能实现锂的循环利用
。
[0005]2017
年在
Energy Environ.Sci.(2017,10,1621—1630
，
Ammonia synthesis from N
2 and H2O using a lithium cycling electrification strategy at atmospheric pressure)
上报道了了三步法制氨，不同的是氮化锂水解产氨后，采用熔融
LiOH
电解的方式，实现锂循环固氮
。
该技术为3步法合成氨，同样不能实现连续式合成氨，且需要高温电解才能实现
LiOH
的再利用
。
[0006]2021
年，
MacFarlane
在
Manthiram
工作的基础上做了改进
(Nitrogen reduction to ammonia at high efficiency and rates based on a phosphonium proton shuttle
，
Science 372,1187
–
1191(2021))
，引入磷盐作为牺牲的质子源，脱质子后可在阳极氧化恢复
。20h
，
0.5barH2和
19.5barN2下，产率
53nmol cm
‑2s
‑1，效率为
69
％，可连续3天反应
。
该技术需要氢气，且质子源为磷盐，成本高
。

技术实现思路

[0007]因此，本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术中常温常压电催化合成氨时存在不能实现锂的循环利用
(
或锂的循环利用能耗高
)
，效率和产率低，以及成本高的缺陷，从而提供一种电化学合成氨装置及利用该装置合成氨的方法
。
[0008]为此，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种电化学合成氨装置，包括依次接触设置的阴极流道板
、
阴极层
、
隔膜
、
锂片和阳极导电板；且各部件之间可拆卸连接形成一体；
[0010]所述阴极流道板上设有与外部连通的进气孔道和出气孔道；所述阴极流道板在与所述阴极层相接触的表面上设有气体流道，所述气体流道与所述阴极流道板的进气孔道和出气孔道连通，且所述气体流道中的气体与所述阴极层接触；
[0011]所述阴极层包括阴极电极片和位于所述阴极电极片表面的阴极催化剂层
(
阴极催化剂设置在阴极电极片与隔膜接触一侧，或阴极电极片与气体流道接触的一侧都可以
)。
[0012]利用上述电化学合成氨装置合成氨时，阴极流道板和阳极导电板分别与外接电源连接
。
[0013]可选地，所述阴极流道板
、
阳极导电板均采用适合作为电极的材料；优选地，所述阴极流道板
、
阳极导电板均采用石墨和
/
或金属材料
。
[0014]可选地，所述阴极电极片包括碳纸
、
碳布
、
多孔石墨片和泡沫金属片中的一种或两种以上的组合；所述碳纸
、
碳布
、
多孔石墨片和泡沫金属片均可市售购买获得
。
[0015]可选地，所述气体流道为凹槽状；优选地，所述气体流道包括多条串联且相互平行的凹槽；更优选地，所述凹槽的深度
≤1.5mm。
[0016]可选地，所述锂片的厚度
≤2mm。
[0017]可选地，所述阴极电极片的厚度
≤2mm。
[0018]可选地，所述阴极电极片表面上含有阴极催化剂的量可根据实际需要调整，如每平方米所述阴极电极片上含有所述阴极催化剂
0.3
‑
0.8mg。
[0019]可选地，所述阴极电极片与所述阴极催化剂层通过涂覆
、
电镀或辊压等常规技术紧密接触；例如，可以在氩气氛围中将阴极催化剂粉体喷涂在阴极电极片表面上；再例如，可以采用电镀的方法在阴极电极片表面电镀一层阴极催化剂层；再例如，可以将阴极催化剂与粘结剂共同辊压粘结于阴极电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种电化学合成氨装置，其特征在于，包括依次接触设置的阴极流道板
、
阴极层
、
隔膜
、
锂片和阳极导电板；且各部件之间可拆卸连接形成一体；所述阴极流道板上设有与外部连通的进气孔道和出气孔道；所述阴极流道板在与所述阴极层相接触的表面上设有气体流道，所述气体流道与所述阴极流道板的进气孔道和出气孔道连通，且所述气体流道中的气体与所述阴极层接触；所述阴极层包括阴极电极片和位于所述阴极电极片表面的阴极催化剂层
。2.
如权利要求1所述的电化学合成氨装置，其特征在于，所述气体流道为凹槽状；优选地，所述气体流道包括多条串联且相互平行的凹槽；更优选地，所述凹槽的深度
≤1.5mm。3.
如权利要求1所述的电化学合成氨装置，其特征在于，所述锂片的厚度
≤2mm。4.
如权利要求1所述的电化学合成氨装置，其特征在于，所述阴极电极片的厚度
≤2mm。5.
如权利要求1所述的电化学合成氨装置，其特征在于，所述隔膜的厚度
≤0.5mm。6.
如权利要求1所述的电化学合成氨装置，其特征在于，所述隔膜的平面尺寸大于所述阴极层及所述锂片的平面尺寸；优选地，所述阴极层与所述锂片具有相同的平面形状和尺寸，所述隔膜与所述阴极层及所述锂片具有相同的平面形状；和
/
或所述隔膜的平面尺寸不大于所述阴极流道板及所述阳极导电板的平面尺寸
。7.
如权利要求1所述的电化学合成氨装...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵秦峰，何盛宝，孟闪茹，孙晖，李晨曦，马行宇，周红军，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：