CO2电解系统及构建方法与流程

本发明涉及二氧化碳电解，具体涉及一种co2电解系统及构建方法。

背景技术：

1、大气中二氧化碳(co2)的浓度持续增加，使得环境灾害频发等问题日趋严重，co2回收及转化利用亟需进一步的研究和发展。为应对气候变化、达到“双碳”目标，将二氧化碳进行催化还原成碳基燃料是一种很有前景的方案，通过大规模co2电催化还原技术(carbondioxide reduction reaction，co2rr)将co2转化升级为高附加值的碳基化学品和燃料，可实现二氧化碳的资源化利用和洁净能源电能的有效存储，大大提高太阳能、风能等新能源发电系统的消纳能力，实现绿色的碳循环。

2、co2作为热力学上比较稳定的化合物，与常规的光催化和热催化还原相比，电催化还原优势明显，利用外加电场可将二氧化碳还原成一氧化碳、甲醇、甲酸等碳氢燃料，电催化co2能在常温常压的水溶液中进行，不需要复杂的反应装置，可利用可再生的电能实现温和条件下的co2还原过程，有利于实现大规模的实际应用。

3、在co2电化学还原过程中，电催化使用电力形成化学键，而选择合适的电催化剂，不仅可以降低co2电还原的活化能势垒，还通过催化剂不同的活性位点，影响反应的选择性、活性和稳定性等，电化学还原反应不仅取决于反应条件，更取决于催化剂材料。因此，设计各种电催化材料从而选择性转化为各种产品如co、甲酸、甲醇、乙醇、碳氢化合物和草酸等成为研究热门，催化剂材料的性能直接影响co2还电化学还原的活性和选择性。

4、纳米薄片材料拥有着独特的电子特性，柔韧性和机械强度，更拥有着超高的表面积，表面原子大量暴露提供了更多表面改性，功能化，掺杂，缺陷等设计调控的可能性，因而被大量用于研究光、热、电等催化。研究表明，金属锡(sn)，铅(pb)和铋(bi)等p区金属普遍是co2选择性转化为甲酸盐/甲酸的有效催化剂。而bi作为性质稳定，低毒性，储量丰富，相较于电催化主要研究的贵金属铂，金，银与铜等材料更加低廉，且拥有着抑制相同电位下析氢反应(her)发生的独特性质的金属，是一个很有前途的研究对象。目前，虽然铋和氧化铋已经被证实可以有效将二氧化碳转化为甲酸盐，但是因为块状的金属铋或氧化铋活性位点少，本征活性弱，直接使用使得反应的结果差强人意。文献“氯氧化铋单晶纳米薄片的制备及其光学性质，靳旺等，河北师范大学学报，2017年9月，第5期”公开了一种氯氧化铋单晶纳米薄片的制备，其通过简单的水解法制备了分散性良好且发近紫外荧光的氯氧化铋单晶纳米薄片，其厚度约为15-20nm，但是并未指出其具有电催化性能。

5、金属铟具有价格相对低廉，环境友好，性质稳定的优点，被广泛应用于电子半导体，医学扫描，焊料合金等领域。由于金属铟极好的光渗透性和导电性，其化合物也拥有良好的催化活性，许多铟基催化剂已经被证实具有电催化还原co2的活性。但通常大多数铟基催化剂对于甲酸盐的选择性都不尽如人意，并且峰值的阴极工作电位都偏高。而从催化剂表面来说，催化剂表面活性位点少，电流密度低等缺点严重阻碍了co2电催化还原的活性。同样，为了调控铟基催化剂的微观结构和表面化学环境，采取的各种策略不利于催化剂的大量制备。因此，目前并没有实际满足工业生产甲酸盐的铟基催化剂。至今，尚未报道过使用能够简单放大制备并具有纳米薄片结构的氧化铟，并投用于电催化还原co2制备甲酸。故开发出成本低廉，操作简单，易于量产的高效电催化还原co2制备甲酸盐的铟基电催化剂具有重要现实价值。文献“超薄in2o3纳米片的制备和改性以及光电化学性能研究，张博学”公开了一种超薄in2o3纳米片的制备方法，但是其不能大量制备，操作繁琐，且并未指出其具有电催化性能。

6、另外，一个完整的co2电化学还原系统是由多个部分组成的，除催化剂材料本身外，电解液、离子交换膜、电解池等部分都会对co2电化学还原系统的整体性能产生直接的影响，通过完善电解池的结构可进一步提升co2电化学还原的整体性能。如图1所示，二氧化碳电解池的基本结构由阴离子交换膜、催化层、扩散层和双极板结构组成，在二氧化碳电解池中，二氧化碳经阴极流道流入电解反应器，通过阴极气体扩散层到达阴极催化层，阳极水也通过阳极气体扩散层到达阳极催化层，然后在催化层内分别发生阴极和阳极反应。

7、其中，双极板结构是二氧化碳电解池中的重要组件，占二氧化碳电解池总重量的60％和总成本的30％。双极板结构可由阴极板和阳极板贴合而成，也可由两块膜电极组成，每个极板上对应有不同的流场，起到运输反应气体和液体、方便排除产物等作用。而电解池的扩散层由碳纸或碳布等多孔介质材料构成，扩散层对电池起着输运气体、排水、导电和导热等重要作用，扩散层性能的好坏也直接影响燃料电池的综合性能。

8、目前，电解池中的极板的进液孔和出液孔大都采用柱状通孔，而柱状通孔的尺寸设计成为设计难点，如果将柱状通孔直径设置太小，影响电解液进入极板流道的速度，进而影响电解池co2还原反应的效率，如果将柱状通孔直径设置过大，电解液进入极板流道的速度过大，导致进液孔附近的电解液冲击隔膜，使得隔膜受压不均，进而影响电解池co2还原反应的效果。

9、再者，研究者对电催化二氧化碳过程的研究主要集中在催化剂的改进和制备方面以及电解池的结构设计方面，而对反应器的设计以及反应器内部的物质和能量传输过程的研究很少。二氧化碳电解池的运行特性受内部气、水、热、电传输过程的影响，要优化二氧化碳电催化还原反应器的设计，需要揭示反应器内部的气、水、热、电传输机理，深入地认识反应器内部的多尺度物理化学过程。

10、随着计算机计算能力的提升和数值计算方法的发展，数值模拟已成为科学研究中的重要手段，比如文献“高温共电解水和二氧化碳合成甲烷反应特性与系统研究，罗宇，清华大学”中提出了采用实验测试、动力学计算和数值模拟结合的研究方法开展固体氧化物电解池(solid oxide electrolysis cell,soec)合成ch4反应特性和系统研究，其针对高温固体氧化物电解池，而不是低温阴离子膜电解池。

11、综上所述，可以从co2电化学还原所需催化剂材料、电解池结构设计以及对二氧化碳电解池反应器内部的多尺度过程进行数值模拟解析等方面进行研究，提升co2电化学还原的整体性能。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何保证进入点阵流道的水流快速扩散且防止进液孔附近的电解液冲击隔膜，提高co2电化学反应电解池的性能。

2、本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的：

3、第一方面，本发明提出了一种co2电解系统，所述电解系统包括电解池，所述电解池中的阳极板和阴极板相对的一侧均设有点阵流道，所述阳极板和阴极板均设置有进液孔和出液孔，所述进液孔和出液孔与对应的极板点阵流道连通，所述进液孔呈阶梯状，所述进液孔大孔径端与点阵流道连通，所述进液孔的小孔径端远离点阵流道的一端设置；

4、所述阳极板和所述阴极板的流道参数为根据电解池三维结构模型对电解池工作过程进行模拟仿真计算得到。

5、第二方面，本发明提出了一种co2电解系统的构建方法，所述构建方法包括：

6、根据电解池三维结构模型对电解池工作过程进行模拟仿真计算，得到所述阳极板及所述阴极板的流道参数；

7、基于所述流道参数设计所述阳极板和所述阴极板；

8、基于所述阳极板、所述阳极扩散层、所述阳极催化层、所述阴离子交换膜、所述阴极催化层、所述阴极扩散层和和所述阴极板，构建所述co2电解系统；

9、制备氯氧化铋纳米薄片或氧化铟纳米薄片作为所述co2电解系统的催化剂。

10、本发明的优点在于：

11、(1)本发明将所述进液孔的设置成阶梯状，进液孔大孔径端与点阵流道连通，使得从进液孔进入点阵流道的水流会快速扩散，保证了电解池还原反应的效率，同时进液孔的小孔径端远离点阵流道的一端设置，防止了进入电解液进入点阵流道的速度过大而导致进液孔附近的电解液冲击隔膜的现象发生，保证了电解池co2还原反应的效果；另外，本发明通过数值仿真方法能够比较准确地模拟计算二氧化碳电催化还原反应器的工作过程，优化二氧化碳电解池的流道结构，进而提高电解池的电化学性能。

12、(2)通过水气分离罐将阳极电解液中的氧气排出，排出氧气的电解液进入杂质吸附结构内，并通过物理吸附层吸附惰性杂质和非电解质有机物，通过化学吸附层吸附电解质杂质，实现对阳极电解液中杂质的去除，不仅将氧气排出保证流体传输均匀，还保证了催化还原中阳极的反应效率以及反应机理的分析。

13、(3)本发明将单一孔隙率的扩散层改变为具有梯度孔隙率的扩散层与微孔层叠加而成，具有梯度孔隙率的扩散层，排水性能更加优异；微孔层的作用是降低膜电极内接触电阻，改善气体和水在三相界面处的再分配，保证较高孔隙度的同时使扩散层表面疏水，进而使水快速排出。

14、(4)制备的未掺杂未修饰的氯氧化铋纳米薄片使用流动池、气体扩散电极，在碳酸氢钾电解质溶液中电催化二氧化碳还原制备甲酸盐，最大电流密度可达到700ma cm-2，其最高生成甲酸盐法拉第效率为82.5％，液相选择性达到100％；相较于普通块材金属铋催化剂，有更好的电化学还原二氧化碳制备甲酸盐的性能。

15、(5)氯氧化铋纳米薄片的制备过程中调控了表面活性剂的含量，在常温常压下一步合成，简单实用，成本低廉，可以进行放大，利于投入工业化生产；所得到的氯氧化铋纳米薄片电化学还原二氧化碳性能优良，得到甲酸盐选择性高，效率高并且毒性低，可持续。

16、(6)所得到的二维氧化铟薄片催化能力优良，对于电催化还原二氧化碳制备甲酸盐反应选择性高，高稳定性，法拉第效率高，并且环境友好，无毒性，价格适宜，在流动电催化反应池中，常温常压下，使用碳酸氢钾电解质溶液电催化还原二氧化碳生成甲酸盐。二维纳米薄片氧化铟相较于之前氧化铟颗粒等报道，有更高的选择性以及还原co2性能，电流密度可以到600ma cm-2，对应生成的甲酸盐法拉第效率可以达到97％。

17、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。