一种多用途电化学二氧化碳还原电解池制造技术

本发明专利技术涉及一种多用途电化学二氧化碳还原电解池，包括依次连接的：自主模块、阴极室模块、阳极室模块和常规模块；阴极室模块和阳极室模块之间设有离子交换膜；自主模块和阴极室模块之间设有阴极材料，常规模块和阳极室模块之间设有阳极材料，阳极材料与电化学工作站的阳极连接；自主模块为用于多种测试条件的可替换模块。与现有技术相比，本发明专利技术可以针对不同的反应条件更换相应自主模块来满足测试要求，降低了整体制造测试成本，同时通过添加原位表征模块来观察催化剂在真实反应条件下的结构演变，从而为催化剂的开发和设计提供重要信息。

A multipurpose electrochemical carbon dioxide reduction cell

【技术实现步骤摘要】
一种多用途电化学二氧化碳还原电解池
本专利技术涉及电化学电解池装置领域，尤其是涉及一种多用途电化学二氧化碳还原电解池。
技术介绍
人类生产活动(如化石燃料燃烧、工业制氢等过程)排放大量的二氧化碳，使得大气中二氧化碳浓度逐年升高，造成一系列环境生态问题。二氧化碳电化学还原可以有效利用低品位电能作为能量来源，制备一系列高附加值产品，如一氧化碳、烯烃、碳氧化合物等，不仅可以缓解二氧化碳的排放，同时满足工业上对于化学品的需求。二氧化碳电还原催化剂作为该过程中的重要一环，已被科研工作者广泛的研究，而设计一套重复性高、稳定性好、功能多样化的评价装置尤为关键。为了探究催化剂在测试过程中的构-效关系，实验者们采用了大量的动态现场原位表征技术，譬如原位红外、原位紫外、原位拉曼等。现有技术中用于原位表征的电化学电解池通常需要定制，且与性能测试所用电解池存在设计差异，这一方面增加了实验开发所需的固件成本，另一方面也给催化剂结构-反应性能间的耦合带来挑战。CN108193225B公开了一种用于电催化还原二氧化碳电解池。包括阴极组件、阳极组件以及分割两者的隔膜。在阳极组件中，阳极端板、阳极集流板、阳极流体分配板、阳极流场板、与阳极电极板依次相连；在阴极组件中，电解质支撑层、溶液电极板、阴极气体扩散电极、阴极流场板、阴极流体分配板、阴极集流板以及阴极端板依次相连。该电解池可通过改变溶液电极板的厚度，降低CO2电还原用电解质的使用量。但上述装置无法满足二氧化碳电还原催化剂的测试及表征。因此，亟需设计一套模块化的多用途电化学二氧化碳还原电解池来解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述现有技术中存在的一系列缺陷而提供一种新型模块化电解池，即一种可以满足多种测试条件的多用途二氧化碳还原电解池，可用于测评电催化剂性能并开展动态现场原位光谱研究。其中采用模块化的连接结构，可以通过更换某一电化学装置模块，改变二氧化碳、电解液和催化剂三相的接触方式或添加光学部件，来满足不同的测试条件和表征要求。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术中的多用途电化学二氧化碳还原电解池，包括依次连接的：自主模块、阴极室模块、阳极室模块和常规模块；所述的阴极室模块和阳极室模块之间设有离子交换膜；所述的自主模块和阴极室模块之间设有阴极材料，阴极材料与电化学工作站的阴极连接；所述的常规模块和阳极室模块之间设有阳极材料，阳极材料与电化学工作站的阳极连接；所述的自主模块为用于多种测试条件的可替换模块。进一步地，所述的阴极材料为负载有待测试催化剂的碳纸。进一步地，所述的阴极材料通过导电铝箔与电化学工作站阴极相连；所述的阳极材料通过导电铝箔与电化学工作站阳极相连。进一步地，所述的阴极室模块包括：阴极室本体；阴极室电解液空腔，开设于所述的阴极室本体中部，其中装填有电解液；阴极室流体出口通道，开设于阴极室本体顶部，并与阴极室电解液空腔连通；阴极室参比电极通道，开设于阴极室本体底部，并与阴极室电解液空腔连通，其中设有参比电极，参比电极与电化学工作站连接；阴极室流体入口通道，开设于阴极室本体底部，并与阴极室电解液空腔连通。进一步地，所述的阳极室模块包括：阳极室本体；阳极室电解液空腔，开设于所述的阳极室本体中部，阳极室电解液空腔与阴极室电解液空腔之间通过离子交换膜间隔，其中装填有电解液；阳极室流体通道，开设于阳极室本体顶部，并与阳极室电解液空腔连通。进一步地，所述的常规模块为实心块体结构。作为本专利技术的一种实施方式，所述的自主模块为贯流式模块，所述的贯流式模块包括：贯流式模块本体；贯流式模块气室，开设于贯流式模块本体内部，该气室通过阴极材料与阴极室电解液空腔连通；气体入口，开设于贯流式模块本侧方并与所述的贯流式模块气室连通。二氧化碳经过侧方气体入口进入贯流式模块气室，贯穿通过阴极材料后进入阴极室电解液空腔，而后从上端的阴极室流体出口通道流出。作为本专利技术的一种实施方式，所述的自主模块为常规模块。运行时，二氧化碳气体从阴极室模块底端气孔进入，上端气孔流出。作为本专利技术的一种实施方式，所述的自主模块为薄层流动模块，所述的薄层流动模块包括：薄层流动模块主体；薄层流动模块气室，开设于薄层流动模块主体内部，该气室通过阴极材料与阴极室电解液空腔间隔；薄层流动模块竖向流通通道，由下至上贯穿薄层流动模块主体并与薄层流动模块气室连通。运行时，二氧化碳从竖向流通通道下方的入口进入薄层流动模块气室，之后一部分二氧化碳从薄层流动模块竖向流通通道上端流出，另一部分气体通过扩散到达阴极室阴极材料表面参与反应。作为本专利技术的一种实施方式，所述的自主模块为原位拉曼模块，所述的原位拉曼模块包括：原位拉曼模块本体；原位拉曼模块气室，开设于原位拉曼模块本体内部，原位拉曼模块气室的一侧通过阴极材料与阴极室电解液空腔间隔，另一侧设有石英窗口；原位拉曼模块竖向流通通道，由下至上贯穿原位拉曼模块本体并与原位拉曼模块气室连通。运行时，二氧化碳从原位拉曼模块竖向流通通道下方的入口进入原位拉曼模块气室，之后一部分二氧化碳从原位拉曼模块竖向流通通道上端流出，另一部分气体通过扩散到达阴极室阴极材料表面参与反应。进一步地，电解池四个模块通过O型橡胶圈及外部螺母施压来实现密封，O型圈材质可根据电解液性质选择。进一步地，电解池四个模块材质为耐腐蚀耐高温的聚醚醚酮(PEEK)或聚四氟乙烯或聚碳酸酯。进一步地，所述的O型橡胶圈材质为聚四氟乙烯或含有硅树脂外壳的聚四氟乙烯。进一步地，所述的离子交换膜为阳离子交换膜或阴离子交换膜。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)本专利技术将反应装置模块化，可以针对不同的测试条件即不同气液固三相接触条件选择合适的模块，探究不同体系下催化剂的反应性能，方便快捷。2)本专利技术中构建了一种模块化的电解池，可根据不同测试条件针对性的更换相应的模块，无需更换整套测评装置，降低了电化学电解池的整体制造研究成本。3)本专利技术中模块化的电解池，可通过引入满足原位表征条件的模块，可探究催化剂在真实反应条件下的结构变化，为催化剂的设计和制备提供有效的信息。附图说明图1为本专利技术中包含贯流式自主模块的多用途电化学二氧化碳还原电解池拆分图。图2为本专利技术中常规模块的结构示意图。图3为本专利技术中贯流式模块的结构示意图。图4为本专利技术中薄层流动模块的结构示意图。图5为本专利技术中原位拉曼模块的结构示意图。图6为催化剂在反应条件下的交流阻抗谱图。图7为不同电压下催化剂电催化二氧化碳还原的电流数据图。图8为不同电压下催化剂电催化二氧化碳还原和一氧化碳选择性数据图。1、气体入口，2、贯流式模块，3、气室，4、O型橡胶圈，5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多用途电化学二氧化碳还原电解池，其特征在于，包括依次连接的：自主模块、阴极室模块(8)、阳极室模块(11)和常规模块(13)；/n所述的阴极室模块(8)和阳极室模块(11)之间设有离子交换膜(10)；/n所述的自主模块和阴极室模块(8)之间设有阴极材料(5)，阴极材料(5)与电化学工作站的阴极连接；/n所述的常规模块(13)和阳极室模块(11)之间设有阳极材料(12)，阳极材料(12)与电化学工作站的阳极连接；/n所述的自主模块为用于多种测试条件的可替换模块。/n

【技术特征摘要】
1.一种多用途电化学二氧化碳还原电解池，其特征在于，包括依次连接的：自主模块、阴极室模块(8)、阳极室模块(11)和常规模块(13)；
所述的阴极室模块(8)和阳极室模块(11)之间设有离子交换膜(10)；
所述的自主模块和阴极室模块(8)之间设有阴极材料(5)，阴极材料(5)与电化学工作站的阴极连接；
所述的常规模块(13)和阳极室模块(11)之间设有阳极材料(12)，阳极材料(12)与电化学工作站的阳极连接；
所述的自主模块为用于多种测试条件的可替换模块。


2.根据权利要求1所述的一种多用途电化学二氧化碳还原电解池，其特征在于，所述的阴极材料(5)为负载有待测试催化剂的碳纸。


3.根据权利要求1所述的一种多用途电化学二氧化碳还原电解池，其特征在于，所述的阴极材料(5)、阳极材料(12)均通过导电铝箔(6)与电化学工作站阴极相连。


4.根据权利要求1所述的一种多用途电化学二氧化碳还原电解池，其特征在于，所述的阴极室模块(8)包括：
阴极室本体；
阴极室电解液空腔，开设于所述的阴极室本体中部，其中装填有电解液；
阴极室流体出口通道，开设于阴极室本体顶部，并与阴极室电解液空腔连通；
阴极室参比电极通道，开设于阴极室本体底部，并与阴极室电解液空腔连通，其中设有参比电极，参比电极与电化学工作站连接；
阴极室流体入口通道，开设于阴极室本体底部，并与阴极室电解液空腔连通。


5.根据权利要求4所述的一种多用途电化学二氧化碳还原电解池，其特征在于，所述的阳极室模块(11)包括：
阳极室本体；
阳极室电解液空腔，开设于所述的阳极室本体中部，阳极室电解液空腔与阴极室电解液空腔之间通过离子交换膜(10)间隔，阳极室电...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱明辉，陈嘉成，李文华，徐晶，韩一帆，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31