一种带有高稳定性阴极的电化学电解槽制造技术

本发明专利技术提供一种带有高稳定性阴极的电化学电解槽，包括：阴极、阳极，以及设置在所述阴极和阳极之间的多孔固体电解质层；其中，所述阴极包括依次设置的阴极集流板、气体扩散层、阴极电催化层以及阴离子交换膜，所述阴离子交换膜中含有铸膜增强剂；所述阳极包括依次设置的阳极集流板、阳极电催化层以及阳离子交换膜；所述多孔固体电解质层设置在所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜之间。根据本发明专利技术的带有高稳定性阴极的电化学电解槽，通过在阴离子交换膜中加入铸膜增强剂，有效提高了阴离子交换膜的稳定性，进而提高了电解槽的有效工作时长。长。长。

【技术实现步骤摘要】
一种带有高稳定性阴极的电化学电解槽


[0001]本专利技术涉及环境工程与能源利用
，具体涉及一种带有高稳定性阴极的电化学电解槽。

技术介绍

[0002]在电化学生产工艺中，最重要的部件为电解槽。电解槽通常有三个关键的要素，即阳极、阴极和电解质。在传统的电化学还原气体过程中，电极被置于一定浓度的电解质溶液中进行电解，电解质通常为惰性盐，所以产生的化工产品中含有大量惰性盐，不利于后续分离工序。
[0003]为此，研究者们提出了一种使用多孔固体电解质层的电解槽，多孔固体电解质层中填充有固体电解质，因此生产的化工产品中不存在惰性盐。这种设计中需要使用阴离子交换膜和阳离子交换膜隔绝多孔固体电解质层。但是，在大型的反应器中，由于槽电压较高，随之产生的较高温度会快速破坏阴离子交换膜的稳定性，使得电解槽的寿命大幅度降低，现有的一些实施例中的电解槽仅可以连续工作100小时后，就会由于阴离子交换膜失效而失去工作能力。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供一种带有高稳定性阴极的电化学电解槽，能够有效提高阴离子交换膜的稳定性，进而提高电解槽的寿命。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]根据本专利技术实施例的一种带有高稳定性阴极的电化学电解槽，包括：
[0007]阳极、阴极，以及设置在阴极和阳极之间的多孔固体电解质层；
[0008]其中，阳极包括依次设置的阳极集流板、阳极电催化层以及阳离子交换膜；
[0009]阴极包括依次设置的阴极集流板、气体扩散层、阴极电催化层以及阴离子交换膜，阴离子交换膜中含有铸膜增强剂；
[0010]多孔固体电解质层设置在阳离子交换膜和阴离子交换膜之间。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，阳极集流板内设有阳极反应室，阳极反应室设有用于通入去离子水的进水口和排出气体的出气口。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，阴极集流板内设有与气体扩散层接触的阴极反应室，阴极反应室设有用于通入气体的阴极室入口，以及排出气体的阴极室出口。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，多孔固体电解质层内设有连通阴离子交换膜和阳离子交换膜的反应通孔，反应通孔内填充有固态电解质颗粒，多孔固体电解质层设有与反应通孔连通的固体电解质层进液口和固体电解质层出液口。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，阴离子交换膜由铸膜增强剂、聚合单体、交联剂以及引发剂按比例制成。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，阴极电催化层设置在气体扩散层上。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，阴离子交换膜的制备方法包括：
[0017]步骤11、将铸膜增强剂、聚合单体、交联剂以及引发剂按1：(2
‑
6)：(0.2
‑
0.7)：(0.005
‑
0.05)的比例混合，形成混合液；
[0018]步骤12、将混合液进行涂膜，并加热聚合，得到模体；
[0019]步骤13、将步骤12中得到的模体浸泡在浓度5％
‑
15％的三甲胺水溶液中以季胺化，浸泡时间为20
‑
50小时；
[0020]步骤14、将季胺化的模体采用去离子水冲洗，得到阴离子交换膜。
[0021]在本专利技术的一个实施例中，铸膜增强剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚砜、聚醚砜和聚甲醛中的一种或多种。
[0022]在本专利技术的一个实施例中，聚合单体选自4
‑
苯乙烯吡啶、苯并咪唑、2
‑
苯基苯并咪唑、二乙烯基苯、2
‑
乙烯基吡啶、1
‑
乙烯基咪唑中的一种或多种。
[0023]在本专利技术的一个实施例中，交联剂选自聚醚胺、聚乙烯聚胺、聚乙烯亚胺中的一种。
[0024]在本专利技术的一个实施例中，引发剂选自偶氮类、有机过氧类、无机过氧类化合物中的一种。
[0025]在本专利技术的一个实施例中，步骤11中加热温度为80
‑
140℃，加热时间为20
‑
50小时。
[0026]在本专利技术的一个实施例中，阴极电催化层的制备方法包括：
[0027]步骤21、将阴极电催化剂、疏水剂以及阳离子表面活性剂按1:(0.2
‑
0.6)：(0.2
‑
1)的比例加入溶剂中；
[0028]步骤22、将步骤21中的溶剂超声分散均匀后，覆盖至气体扩散层上；
[0029]步骤23、将步骤22中气体扩散层上的溶剂加热蒸发，得到阴极电催化层。
[0030]在本专利技术的一个实施例中，疏水剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚硅氧烷中的一种。
[0031]在本专利技术的一个实施例中，阳离子表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵、十四烷基
‑2‑
甲基吡啶溴化铵、双癸基二甲基溴化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵、甲基二牛脂酰乙基
‑2‑
羟乙基硫酸甲酯铵、丁基三甲基溴化铵、四甲基溴化铵、正辛基三甲基溴化铵中的一种或多种。
[0032]在本专利技术的一个实施例中，气体扩散层选自碳纤维纸、碳黑纸、碳纤维布、碳毡中的一种。
[0033]在本专利技术的一个实施例中，步骤23中的加热温度为30
‑
80℃。
[0034]本专利技术的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：
[0035]本专利技术的带有高稳定性阴极的电化学电解槽，通过在阴离子交换膜的制备过程中加入铸膜增强剂，有效提高了阴离子交换膜的稳定性，实现了高槽电压环境下的稳定生成，提高了电解槽的寿命。其次，本专利技术使用带有大量孔隙的多孔固体电解质层，而非传统中常用的液态电解质。固态电解质因具有室温下快速离子传导、高可靠性和易于加工的特性，有效提高了反应效率。
附图说明
[0036]图1为本专利技术实施例的带有高稳定性阴极的电化学电解槽的结构示意图；
[0037]图2为本专利技术实施例的带有高稳定性阴极的电化学电解槽设置多孔电子导体流道层的结构示意图；
[0038]图3为本专利技术实施例的带有高稳定性阴极的电化学电解槽中阴离子交换膜的制备流程图；
[0039]图4为本专利技术实施例的带有高稳定性阴极的电化学电解槽中阴极电催化层的制备流程图；
[0040]图5为本专利技术实施例的带有高稳定性阴极的电化学电解槽还原氧气生成过氧化氢的时间
‑
浓度折线图；
[0041]图6为一些实施例中的电化学电解槽还原氧气生成过氧化氢的时间
‑
浓度折线图。
[0042]附图标记：100、阳极；110、阳极集流板；111、进水口；112、出气口；120、阳极电催化层；130、阳离子交换膜；140、阳极多孔电子导体流道层；200、阴极；210、阴极集流板；211、阴极室入口；212、阴极室出口；220、气体扩散层；230、阴极电催化层；240、阴离子交换膜；2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带有高稳定性阴极的电化学电解槽，其特征在于，包括：阳极、阴极，以及设置在所述阴极和阳极之间的多孔固体电解质层；其中，所述阳极包括依次设置的阳极集流板、阳极电催化层以及阳离子交换膜；所述阴极包括依次设置的阴极集流板、气体扩散层、阴极电催化层以及阴离子交换膜，所述阴离子交换膜中含有铸膜增强剂；所述多孔固体电解质层设置在所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜之间。2.根据权利要求1所述的带有高稳定性阴极的电化学电解槽，其特征在于，所述阳极集流板内设有阳极反应室，所述阳极反应室设有用于通入去离子水的进水口和排出气体的出气口。3.根据权利要求2所述的带有高稳定性阴极的电化学电解槽，其特征在于，所述阴极集流板内设有与所述气体扩散层接触的阴极反应室，所述阴极反应室设有用于通入气体的阴极室入口，以及排出气体的阴极室出口。4.根据权利要求3所述的带有高稳定性阴极的电化学电解槽，其特征在于，所述多孔固体电解质层内设有连通所述阴离子交换膜和所述阳离子交换膜的反应通孔，所述反应通孔内填充有固态电解质颗粒，所述多孔固体电解质层设有与所述反应通孔连通的固体电解质层进液口和固体电解质层出液口。5.根据权利要求1所述的带有高稳定性阴极的电化学电解槽，其特征在于，所述阴离子交换膜由铸膜增强剂、聚合单体、交联剂以及引发剂按比例制成。6.根据权利要求5所述的带有高稳定性阴极的电化学电解槽，其特征在于，所述阴极电催化层设置在所述气体扩散层上。7.根据权利要求6所述的带有高稳定性阴极的电化学电解槽，其特征在于，所述阴离子交换膜的制备方法包括：步骤11、将所述铸膜增强剂、所述聚合单体、所述交联剂以及所述引发剂按1：(2
‑
6)：(0.2
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0.7)：(0.005
‑
0.05)的比例混合，形成混合液；步骤12、将所述混合液涂膜，并加热聚合，得到模体；步骤13、将步骤12中得到的所述模体浸泡在浓度5％
‑
15％的三甲胺水溶液中以季胺化，浸泡时间为20
‑
50小时；步骤14、将季胺化的所述模体采用去离子水冲洗，得到所述阴离子交换膜。8.根据权利要求7所述的带有高稳定性阴极的电化学电解槽，其特征在于，所述铸膜增强剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵尔卓，展巨宏，钟家强，李阳，王玉珏，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：