二氧化碳电催化反应器的制作方法

本发明涉及二氧化碳的电催化转化，具体涉及一种二氧化碳电催化反应器。

背景技术：

1、二氧化碳的电催化转化过程不仅可以实现将电能转化为内能封存在反应物中，实现相较电池储能更加稳定的能量储存，而且该过程同时实现了二氧化碳的固定。近年来，随着气候议题越来越受到重视，利用二氧化碳电催化过程作为减少碳排放和大气中二氧化碳含量的方法替代碳捕获和封存的概念引起了越来越多的兴趣。将二氧化碳转化为可行的化学品和燃料原料同时提供了在全球范围内应用太阳能、风能、核能和潮汐技术等可再生能源的稳定的能源转化路径。因此二氧化碳的电催化转化既可以实现碳中性制造工艺循环，又具有显著减少大气中二氧化碳的经济潜力。

2、高转化率高产量的二氧化碳电催化反应器的工程化应用目前仍然存在比较多的问题。其中比较关键的两点为：1.目前的二氧化碳电催化转化过程难以获取较高纯度的目标产物；2.普遍的二氧化碳电催化转化过程中需要使用离子交换膜、特定电解质溶液等作为反应器中的离子交换通道，然而这些介质的传质阻力比较大，反应的能量转化效率比较低。

3、以二氧化碳电催化还原制甲酸为例，公开号为cn207418877u的名为“三室电化学反应器”的的中国实用新型专利已经公开了一种用于二氧化碳制甲酸的三腔室反应器，通过在阴极与阳极之间设置离子交换膜以及电解质溶液实现在阴阳极上催化生成的离子的定向输运，并在电解质溶液中实现阴阳离子结合生成甲酸。如前所述，类似反应器中是通过离子交换膜以及电解质溶液实现离子输运，具有较大的传质阻力，会因此而造成较大的输入能量损失。同时，上述技术方案中，产物甲酸由阴阳离子在电解质溶液中结合形成，这意味着经上述反应后，仍然只能得到甲酸、对应电解质的混合溶液，而无法在反应后直接得到较高纯度的甲酸产物。

4、此外，申请人曾于申请号为“三室反应器以及堆叠式反应器”的名为“三室反应器以及堆叠式反应器”的中国发明专利申请中提出了一种三室反应器。该申请尚未公开，其引用了基于已在自然子刊发表的《copper-catalysedexclusiveco2topureformicacidconversionvia single-atomalloying》(基于单原子合金的专一性铜催化二氧化碳制纯甲酸转化来源：zheng t,liuc,guoc,etal.copper-catalysedexclusiveco2topureformicacidconversionvia single-atomalloying[j].naturenanotechnology,2021,16(12):1386-1393.)中所发表的催化剂或者其功能类似物，以试图提供制单一甲酸溶液的方法，该方法就目前而言，由于中间腔室使用固态电解质以及纯水作为离子交换媒介。相比使用电解质溶液，其虽然可以获得纯甲酸溶液，但也带来了传质阻力增大的问题。此外，上述所直接引用的文献中的催化剂组分以及其功能类似物也可应用于本申请的技术方案中。

技术实现思路

1、针对现有的二氧化碳电催化反应器由于传质阻力大，导致能量转化效率低的问题，本发明提供一种二氧化碳电催化反应器。

2、本发明的技术方案提供一种二氧化碳电催化反应器，包括阳极腔室与阴极腔室以及在阳极腔室与阴极腔室之间顺序设置的阳极催化剂层、阳极离子交换膜、阴极离子交换膜与阴极催化剂层；

3、所述阳极腔室中通入纯水或者电解质溶液；所述阴极腔室中通入加湿处理的含二氧化碳的气体；

4、所述阳极催化剂层上设置有用于水的电催化氧化的催化剂，所述阴极催化剂层上设置有用于二氧化碳电催化还原的催化剂；

5、所述阳极离子交换膜与阴极离子交换膜允许离子选择性通过；

6、所述阳极催化剂层、阳极离子交换膜、阴极离子交换膜与阴极催化剂层的相邻接触面之间至少部分地接触设置。

7、优选地，所述阳极离子交换膜与阴极离子交换膜的接触面间隔式的保持接触，未接触处形成反应产物的流道。

8、优选地，所述阳极离子交换膜与所述阴极离子交换膜在两者相接触的接触面上至少在其中之一上开设有微流槽，微流槽形成反应产物的流道用于反应产物的排出。

9、优选地，所述阳极催化剂层、阳极离子交换膜、阴极离子交换膜与阴极催化剂层呈波纹状折叠容置于所述阳极腔室与阴极腔室之间。

10、优选地，包括阳极板与阴极板，阳极腔室与阴极腔室分别成型于阳极板与阴极板相对的端面；阳极催化剂层、阳极离子交换膜、阴极离子交换膜与阴极催化剂层依次叠置设于阳极腔室与阴极腔室之间，隔离阳极腔室与阴极腔室。

11、优选地，所述阳极板与所述阴极板之间还设置有用于容置阳极催化剂层、阳极离子交换膜、阴极离子交换膜与阴极催化剂层的垫层。

12、优选地，所述垫层上设置有连通所述阳极离子交换膜与所述阴极离子交换膜之间接触面的反应产物流道。

13、优选地，所述垫层至少从所述阳极离子交换膜与所述阴极离子交换膜的接触面间拆分为两个可分离的部分：第三垫层与第四垫层；在所述第三垫层与所述第四垫层相接触的端面中，至少在其中一个端面上成型反应产物流道。

14、优选地，所述阳极板或者所述阴极板上开设有反应产物出口，所述反应产物出口与所述反应产物流道连通，用于引出反应产物。

15、优选地，所述反应产物流道至少在所述垫层的两侧分别设置一组。

16、本发明的二氧化碳电催化反应器通过接触设置的阳极离子交换膜与阴极离子交换膜避免了中间腔室的设置，以及中间腔室中用于离子迁移的电解质的使用，缩短了离子迁移距离，因此能够降低离子迁移阻力，从而减少反应过程中的用于驱动离子驱动的能量损失，提高能量转化效率，提高反应效率。此外由于取消了中间腔室，也取消了中间腔室中电解液的使用，因此反应后从阳极离子交换膜与阴极离子交换膜之间的接触面上能够得到几乎仅含甲酸与水的混合物，不含其他电解质盐，收集物组分单一，易分离提纯。

技术特征：

1.一种二氧化碳电催化反应器，其特征在于，包括阳极腔室(a)与阴极腔室(b)以及在阳极腔室(a)与阴极腔室(b)之间顺序设置的阳极催化剂层(1)、阳极离子交换膜(3)、阴极离子交换膜(4)与阴极催化剂层(2)；

2.如权利要求1所述的二氧化碳电催化反应器，其特征在于，所述阳极离子交换膜(3)与阴极离子交换膜(4)的接触面间隔式的保持接触，未接触处形成反应产物的流道。

3.如权利要求2所述的二氧化碳电催化反应器，其特征在于，所述阳极离子交换膜(3)与所述阴极离子交换膜(4)在两者相接触的接触面上至少在其中之一上开设有微流槽(g)，微流槽(g)形成反应产物的流道用于反应产物的排出。

4.如权利要求2所述的二氧化碳电催化反应器，其特征在于，所述阳极催化剂层(1)、阳极离子交换膜(3)、阴极离子交换膜(4)与阴极催化剂层(2)呈波纹状折叠容置于所述阳极腔室(a)与阴极腔室(b)之间。

5.如权利要求1所述的二氧化碳电催化反应器，其特征在于，包括阳极板(6)与阴极板(7)，阳极腔室(a)与阴极腔室(b)分别成型于阳极板(6)与阴极板(7)相对的端面；阳极催化剂层(1)、阳极离子交换膜(3)、阴极离子交换膜(4)与阴极催化剂层(2)依次叠置设于阳极腔室(a)与阴极腔室(b)之间，隔离阳极腔室(a)与阴极腔室(b)。

6.如权利要求5所述的二氧化碳电催化反应器，其特征在于，所述阳极板(6)与所述阴极板(7)之间还设置有用于容置阳极催化剂层(1)、阳极离子交换膜(3)、阴极离子交换膜(4)与阴极催化剂层(2)的垫层(5)。

7.如权利要求6所述的二氧化碳电催化反应器，其特征在于，所述垫层(5)上设置有连通所述阳极离子交换膜(3)与所述阴极离子交换膜(4)之间接触面的反应产物流道(5c)。

8.如权利要求7所述的二氧化碳电催化反应器，其特征在于，所述垫层(5)至少从所述阳极离子交换膜(3)与所述阴极离子交换膜(4)的接触面间拆分为两个可分离的部分：第三垫层(53)与第四垫层(54)；在所述第三垫层(53)与所述第四垫层(54)相接触的端面中，至少在其中一个端面上成型反应产物流道(5c)。

9.如权利要求7所述的二氧化碳电催化反应器，其特征在于，所述阳极板(6)或者所述阴极板(7)上开设有反应产物出口(5d)，所述反应产物出口(5d)与所述反应产物流道(5c)连通，用于引出反应产物。

10.如权利要求7所述的二氧化碳电催化反应器，其特征在于，所述反应产物流道(5c)至少在所述垫层(5)的两侧分别设置一组。

技术总结
本发明提供一种二氧化碳电催化反应器，包括阳极腔室与阴极腔室以及在阳极腔室与阴极腔室之间顺序设置的阳极催化剂层、阳极离子交换膜、阴极离子交换膜与阴极催化剂层；所述阳极腔室中通入纯水或者电解质溶液；所述阴极腔室中通入加湿处理的含二氧化碳的气体；所述阳极催化剂层、阳极离子交换膜、阴极离子交换膜与阴极催化剂层的相邻接触面之间至少部分地接触设置。该二氧化碳电催化反应器通过接触设置的阳极离子交换膜与阴极离子交换膜避免了中间腔室以及用于离子迁移的电解质的使用，缩短了离子迁移距离，能够降低离子迁移阻力，减少反应的能量损失；此外还能够得到几乎仅含甲酸与水的混合物，收集物组分单一，易分离提纯。

技术研发人员：曹耀镱,朱守港,尹浩宇,张浩
受保护的技术使用者：安徽伏碳科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13