【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种阴极电极组合件、电解槽装置、电催化碳酸氢盐转化的方法及应用，属于co2转化。
技术介绍
1、碳排放问题受到全球关注。利用清洁能源驱动电催化co2还原是一种有前景的碳减排方式，可以把co2转化成高附加值产物。然而，传统的co2还原过程需要高纯和高压co2作为原材料，这会涉及到一系列高能耗的步骤，如co2释放、压缩和产物分离，这增加了整个反应过程的能耗。目前，通过碳酸氢盐电解槽直接电解co2捕获后的碳酸氢盐水溶液是一种有前景的替代方法。
2、碳酸氢盐电解槽可以通过集成co2捕获与转化为一体，实现将废气中的co2直接转化为有价值的碳产物。然而，目前碳酸氢盐电解槽技术还处于初级阶段，对这一过程的系统研究还比较少。现有技术中，在碳酸氢盐电解槽中进行co2还原，co和甲酸是报道的最主要的产物。然而，co和甲酸的能量密度低以及有限的市场需求，限制了其大规模的生产。相比之下，市场规模更大、能源效率更高的多碳碳氢产物，如乙烯，被认为是更有前景的目标。乙烯作为一种重要的前体，在全球范围内广泛用于塑料合成，乙烯的全球市场规模现已超过每年8000万吨。但目前，利用碳酸氢盐电解槽催化碳酸氢盐水溶液转化产乙烯还具有一定的挑战性。因为在碳酸氢盐电解槽中进行co2还原过程中，电解液中的hco3-与阳离子交换膜或者双极膜上产生的h+结合原位产生co2分子，co2分子需要通过传质过程迁移到阴极侧的催化剂表面进行电催化还原，同时，co2还原过程会产生oh-，oh-会聚集在催化剂表面并与co2分子反应生成hco3-或者co32-,这造成了
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于解决现有技术中，利用电解槽催化碳酸氢盐水溶液转化产乙烯过程中因co2分子oh-结合导致co2分子的消耗严重、电解槽法拉第效率低的问题，提供一种阴极电极组合件以及采用该阴极电极组合件的电解槽装置，该装置能够避免或减少阴极液产生的oh-向阳极的扩散，为co2还原反应提供充足的碱性环境，并能避免或减少oh-与co2反应，提升co2还原的拉第效率，还能避免或减少析氢反应的发生。
2、本专利技术的另一目的还在于提供上述电解槽装置用于电催化碳酸氢盐转化制备乙烯的应用。
3、技术方案
4、本专利技术提供了如下方案：方案一是提供了一种阴极电极组合件，在阴极电极两侧分别设置疏水层和阴离子聚合物凝胶层，该组合件通过疏水层实现通过co2分子，阻止水分子进入阴极电极，避免或减少析氢反应，通过凝胶层阻止oh-扩散，为还原反应提供碱性环境，促进co2分子还原；方案二提供了一种采用了上述阴极电极组合件的电解槽装置，该装置通过一定的引流方式使阴极液首先在隔膜处与h+充分反应后再至电极处反应，在电极处设置器件使避免或减少阴极液产生的oh-向阳极的扩散，为co2还原反应提供充足的碱性环境，再设置器件为co2传输提供气体传输通道，避免或减少oh-与co2反应，降低co2与oh-结合的可能性，提升co2还原的拉第效率；方案三提供了一种电催化还原co2的方法，采用上述电解槽装置，并通过一定的引流方式和有效措施实现降低co2与oh-结合的可能性，提升co2还原的法拉第效率；方案四是提供利用所述电解槽装置制备乙烯的应用。具体方案如下：
5、一种阴极电极组合件，包括阴极电极以及分别设于阴极电极两侧的疏水层和阴离子聚合物凝胶层，所述阴极电极包括导电基底和设在导电基底上的催化剂层，所述催化剂层位于导电基底和阴离子聚合物凝胶层之间，所述催化剂为能够催化co2发生还原反应的催化剂。
6、该阴极电极组合件用于电解槽中进行电催化碳酸氢盐转化制备乙烯时，阴极液穿过所述疏水层侧至所述阴极电极片处发生还原反应，所述阴离子聚合物凝胶层用于阻挡阴极电极处的oh-扩散，为所述还原反应提供碱性环境。
7、作为优选，所述阴极电极为薄片结构，即阴极电极片，阴极电极的具体形式可以是碳纸上负载催化剂层，也可以是金属网上负载催化剂层。
8、作为优选，所述阴离子聚合物凝胶层的材料为聚苯乙烯磺酸钠、丙烯酸钠、甲基丙烯酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸或全氟磺酸基聚合物凝胶材料。该类材料具有良好的离子导电性，使器件具有较低的电阻，能量损失小。
9、作为优选，所述疏水层的材料为ptfe或pvdf。
10、作为优选，所述疏水层厚度为5-100μm，更优选为20-50μm；所述阴离子聚合物凝胶层厚度为100-1000μm，更优选为200-500μm。
11、作为优选，所述催化剂为含铜基催化剂，优选为单原子铜催化剂、铜分子类催化剂、铜金属、铜和其它金属的合金、铜的氧化物等催化剂；上述催化剂可以颗粒或粉末状负载在所述导电基底上。具体的负载方式可通过以下方法制得：将碳纳米管负载的铜酞菁分子分散在乙醇溶液中获得溶液一，将溶液一滴在亲水碳纸基底或其它导电基底上，晾干制得。
12、该阴极电极组合件中，疏水层和阴离子聚合物凝胶层分别置于阴极电极两侧，该设置可通过流道结构将与h+作用后的阴极液引流至疏水层一侧，后透过疏水层与阴极电极接触发生还原反应，疏水层透气但疏水，该设置可仅导通co2，隔绝水或使尽可能少的让水进入阴极电极，使液体和气体分离开传输，避免co2被氢氧根消耗，还避免了水在阴极电极处发生析氢反应，避免析氢反应一方面可避免水电解与co2反应产生电子竞争，另一方面可避免析氢反应产生oh-，消耗co2。在阴极电极的另一侧设置阴离子聚合物凝胶层，该凝胶层具有锁紧oh-的作用，防止其扩散，由于oh-聚集在凝胶层处故在该处形成微型碱性环境，碱性环境可促进co2还原产乙烯，提升co2还原效率。
13、一种电解槽装置，包括阳极区、阴极区以及将所述阳极区和阴极区分隔开的隔膜；所述阳极区包括与阳极液作用产生h+的阳极电极和与之贴合的阳极板，阳极板上设有供阳极液流通至阳极电极处的阳极流道；
14、所述阴极区包括上述阴极电极组合件以及设有阴极液进口和出口的阴极板，阴极液为碳酸氢盐溶液，能够与h+结合产生co2，所述阴极电极组合件的疏水层朝向阴极板的那一侧，所述阴极电极组合件的阴离子聚合物凝胶层朝向隔膜的那一侧；所述阴极区包括第一流道、第二流道和第三流道，其中，第一流道用于将从阴极液进口进入的阴极液引流至隔膜处，与隔膜处的h+结合产生co2；所述第二流道用于将隔膜处反应后的阴极液和产生的co2引流至阴极电极组合件处，使co2发生还原反应；所述第三流道与阴极板上的阴极液出口连通，用于导出阴极电极组合件处还原反应后的气体产物及溶液。
15、具体地，第一流道将未反应的碳酸氢盐阴极液引流至隔膜处发生如下反本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种阴极电极组合件，其特征在于，包括阴极电极以及分别设于阴极电极两侧的疏水层和阴离子聚合物凝胶层，所述阴极电极包括导电基底和设在导电基底上的催化剂层，所述催化剂层位于导电基底和阴离子聚合物凝胶层之间，所述催化剂为能够催化CO2发生还原反应的催化剂。
2.如权利要求1所述阴极电极组合件，其特征在于，所述阴离子聚合物凝胶层的材料为聚苯乙烯磺酸钠、丙烯酸钠、甲基丙烯酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸或全氟磺酸基聚合物凝胶材料；所述疏水层的材料为PTFE或PVDF。
3.如权利要求1或2所述阴极电极组合件，其特征在于，所述疏水层厚度为5-100μm，所述阴离子聚合物凝胶层厚度为100-1000μm。
4.一种电解槽装置，其特征在于，包括阳极区、阴极区以及将所述阳极区和阴极区分隔开的隔膜；所述阳极区包括与阳极液作用产生H+的阳极电极和与之贴合的阳极板，阳极板上设有供阳极液流通至阳极电极处的阳极流道；
5.如权利要求4所述电解槽装置，其特征在于，所述隔膜为阳离子交换膜或双极膜。
6.如权利要求4或5所述电解槽装置，其特征在于，所
7.如权利要求6所述电解槽装置，其特征在于，所述第一腔室和第二腔室均为通腔，阴极电极组合件面积与第一腔室、第二腔室截面积相当，且阴极电极组合件覆盖第一腔室、第二腔室的开口。
8.一种电催化碳酸氢盐转化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.如权利要求8所述的电催化碳酸氢盐转化的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述阴极液的流速控制在1-20cm s-1。
10.权利要求4或5或6或7所述电解槽装置用于电催化碳酸氢盐转化制备乙烯的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种阴极电极组合件，其特征在于，包括阴极电极以及分别设于阴极电极两侧的疏水层和阴离子聚合物凝胶层，所述阴极电极包括导电基底和设在导电基底上的催化剂层，所述催化剂层位于导电基底和阴离子聚合物凝胶层之间，所述催化剂为能够催化co2发生还原反应的催化剂。
2.如权利要求1所述阴极电极组合件，其特征在于，所述阴离子聚合物凝胶层的材料为聚苯乙烯磺酸钠、丙烯酸钠、甲基丙烯酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸或全氟磺酸基聚合物凝胶材料；所述疏水层的材料为ptfe或pvdf。
3.如权利要求1或2所述阴极电极组合件，其特征在于，所述疏水层厚度为5-100μm，所述阴离子聚合物凝胶层厚度为100-1000μm。
4.一种电解槽装置，其特征在于，包括阳极区、阴极区以及将所述阳极区和阴极区分隔开的隔膜；所述阳极区包括与阳极液作用产生h+的阳极电极和与之贴合的阳极板，阳极板上设有供阳极液流通至阳极电极处的阳极流道；
5.如权利要求4所述电解槽装置，其特征在于，所述隔膜为阳离子交换膜或双极膜。
6.如权利要求4或5所述电解槽装置，其特征在于，所述阴极区还包括第一导流垫片和第二导流垫片，所述第一导流垫片、阴极电极组合件、第二导流垫片和阴极板依次贴合，所述第一导流垫片的另一面与隔膜贴合；所...
【专利技术属性】
技术研发人员：王晓君，申梦鑫，冯时佳，薛钦文，
申请(专利权)人：南京南智碳中和研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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