一种超临界CO2电催化转化装置及超临界CO2电催化还原方法

本发明涉及电化学，尤其涉及一种超临界co2电催化转化装置及超临界co2电催化还原方法。

背景技术：

1、co2电催化技术利用电化学反应将co2转化为有价值的化学品或能源。通过在电解槽中施加电压，可以驱动co2分子在电极表面发生氧化还原反应，从而实现其化学转化。与传统的热催化方法相比，co2电催化技术具有更高的反应速率和选择性，同时能够实现低温下的催化反应，降低能耗和设备成本。此外，co2电催化还原能够与清洁能源产生的电能直接耦合，不产生额外的碳排放，因此，电催化转化是一种极具应用前景的co2转化方法。

2、目前co2电催化还原仍停留在实验室阶段，绝大多数的实验的反应器以h型电解池为主以筛选催化剂，然而该反应器受限于co2在电解质中的溶解度，不适合用于进一步的工业化应用研究。目前虽已有能达到更大电流密度的膜电极电解池和流动池用于实验室研究，但大多数的这类反应器使用压力较低，难以承受co2临界点以上的压力。

技术实现思路

1、为了解决反应器难以承受co2临界点以上的压力的问题，本发明提供一种一种超临界co2电催化转化装置及工作方法。

2、为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种超临界co2电催化转化装置，包括可拆卸连接的第一夹板组件和第二夹板组件、以及设置在所述第一夹板组件和所述第二夹板组件之间的离子交换膜、电解质腔室、阴极电极和阳极电极，其中所述离子交换膜和所述电解质腔室设置在所述阴极电极和所述阳极电极中间，所述第一夹板组件、所述阴极电极、所述电解质腔室、所述阳极电极和所述第二夹板组件通过多个弧形凸起和多个弧形槽嵌套在一起，所述第一夹板组件设置有第一气体入口和第一气体出口，所述第二夹板组件设置有第二气体入口和第二气体出口，所述电解质腔室设置有流体出口和流体入口。

3、在某些实施方式中，所述弧形凸起包括设置在所述第一夹板组件上的多个第一弧形凸起和设置在所述电解质腔室一个端面上的第二弧形凸起，所述弧形槽包括分别开设于所述阴极电极和所述阳极电极上的多个弧形通槽、开设于所述电解质腔室另一个端面上的多个第一弧形凹槽以及开设于所述第二夹板组件上的第二弧形凹槽，所述第一弧形凸起穿过所述阴极电极的弧形通槽嵌套在所述第一弧形凹槽中，所述第二弧形凸起穿过所述阳极电极的弧形通槽嵌套在所述第二弧形凹槽中。

4、在某些实施方式中，所述电解质腔室的数量为一个或两个；

5、当配置一个所述电解质腔室时，所述电解质腔室配置在所述离子交换膜和所述阳极电极之间；

6、当配置两个所述电解质腔室时，两个所述电解质腔室通过所述第二弧形凸起与所述第一弧形凹槽嵌套连接在一起，两个所述电解质腔室分设在所述离子交换膜两侧。

7、在某些实施方式中，所述阴极电极和所述阳极电极均包括铜质集流板和气体扩散电极，所述铜质集流板包括环形板体以及自所述环形板体边缘向外延伸的电极耳，所述环形板体沿周向分布有多个所述弧形通槽，所述气体扩散电极为圆形，所述气体扩散电极的直径不大于所述弧形凸起的内径，所述气体扩散电极配置在所述多个所述弧形凸起中间。

8、在某些实施方式中，所述电解质腔室包括开设有所述流体出口和所述流体入口的腔体以及设置在所述腔体两侧的两个流体接口，一个所述流体接口连接在所述流体出口处，另一个所述流体接口连接在流体入口处。

9、在某些实施方式中，所述腔体的中间部位设置有第一反应槽，所述第一反应槽与所述流体出口和所述流体入口连通。

10、在某些实施方式中，所述离子交换膜为圆形，所述离子交换膜的直径不大于所述弧形凸起的内径，所述离子交换膜配置在所述多个弧形凸起中间。

11、在某些实施方式中，所述第一夹板组件和所述第二夹板组件均由高强度绝缘材料制成，所述第一夹板组件和所述第二夹板组件的内侧面分别设置有蛇形流道，所述蛇形流道的起点与所述气体入口连通，所述蛇形流道的终点与所述气体出口连通。

12、在某些实施方式中，所述第一夹板组件和所述第二夹板组件均包括夹板和流道板，所述夹板和所述流道板嵌套连接，所述流道板设置有所述蛇形流道和多个所述弧形凸起，所述夹板设置有多个螺纹连接孔，两个所述夹板通过多组螺栓和螺母组件固定在一起。

13、一种超临界co2电催化还原方法，应用于上述超临界co2电催化转化装置，包括以下步骤：

14、从流体入口以恒定的流量向电解质腔室泵送电解质溶液；

15、分别从第一夹板组件的第一气体入口和第二夹板组件的第二气体入口以恒定的流量向超临界co2电催化转化装置输送相同压力的超临界状态的co2流体；

16、向阴极电极和阳极电极施加电压，对超临界状态的co2流体进行电催化。

17、由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

18、本发明提供了一种超临界co2电催化转化装置，其夹板组件、阴极电极、电解质腔室和阳极电极通过多个弧形凸起和多个弧形槽嵌套在一起，以保证高压下各部件之间相对位置的稳定，同时从第一气体入口和第二气体入口分别向装置的两极通入相同压力的co2，使装置两侧的压力相同以避免损坏夹板组件内的各部件，从而使装置能够对超临界状态下的co2进行电催化，提高电催化效率。

技术特征：

1.一种超临界co2电催化转化装置，其特征在于，包括可拆卸连接的第一夹板组件(1)和第二夹板组件(2)、以及设置在所述第一夹板组件(1)和所述第二夹板组件(2)之间的离子交换膜(3)、电解质腔室(4)、阴极电极(5)和阳极电极(6)，其中所述离子交换膜(3)和所述电解质腔室(4)设置在所述阴极电极(5)和所述阳极电极(6)中间，所述第一夹板组件(1)、所述阴极电极(5)、所述电解质腔室(4)、所述阳极电极(6)和所述第二夹板组件(2)通过多个弧形凸起和多个弧形槽嵌套在一起，所述第一夹板组件(1)设置有第一气体入口(11)和第一气体出口(12)，所述第二夹板组件(2)设置有第二气体入口(21)和第二气体出口(22)，所述电解质腔室(4)设置有流体出口(41)和流体入口(42)。

2.根据权利要求1所述的一种超临界co2电催化转化装置，其特征在于，所述弧形凸起包括设置在所述第一夹板组件(1)上的多个第一弧形凸起(140)和设置在所述电解质腔室(4)一个端面上的第二弧形凸起(432)，所述弧形槽包括分别开设于所述阴极电极(5)和所述阳极电极(6)上的多个弧形通槽(50)、开设于所述电解质腔室(4)另一个端面上的多个第一弧形凹槽(431)以及开设于所述第二夹板组件(2)上的第二弧形凹槽，所述第一弧形凸起(140)穿过所述阴极电极(5)的弧形通槽(50)嵌套在所述第一弧形凹槽(431)中，所述第二弧形凸起(432)穿过所述阳极电极(6)的弧形通槽(50)嵌套在所述第二弧形凹槽中。

3.根据权利要求2所述的一种超临界co2电催化转化装置，其特征在于，所述电解质腔室(4)的数量为一个或两个；

4.根据权利要求2所述的一种超临界co2电催化转化装置，其特征在于，所述阴极电极(5)和所述阳极电极(6)均包括铜质集流板和气体扩散电极，所述铜质集流板包括环形板体(511)以及自所述环形板体(511)边缘向外延伸的电极耳(512)，所述环形板体(511)沿周向分布有多个所述弧形通槽(50)，所述气体扩散电极为圆形，所述气体扩散电极的直径不大于所述弧形凸起的内径，所述气体扩散电极配置在所述多个所述弧形凸起中间。

5.根据权利要求1所述的一种超临界co2电催化转化装置，其特征在于，所述电解质腔室(4)包括开设有所述流体出口(41)和所述流体入口(42)的腔体(43)以及设置在所述腔体(43)两侧的两个流体接口(44)，一个所述流体接口(44)连接在所述流体出口(41)处，另一个所述流体接口(44)连接在流体入口(42)处。

6.根据权利要求5所述的一种超临界co2电催化转化装置，其特征在于，所述腔体(43)的中间部位设置有第一反应槽(430)，所述第一反应槽(430)与所述流体出口(41)和所述流体入口(42)连通。

7.根据权利要求1所述的一种超临界co2电催化转化装置，其特征在于，所述离子交换膜(3)为圆形，所述离子交换膜(3)的直径不大于所述弧形凸起的内径，所述离子交换膜(3)配置在所述多个弧形凸起中间。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种超临界co2电催化转化装置，其特征在于，所述第一夹板组件(1)和所述第二夹板组件(2)均由高强度绝缘材料制成，所述第一夹板组件(1)和所述第二夹板组件(2)的内侧面分别设置有蛇形流道(142)，所述蛇形流道(142)的起点与所述气体入口连通，所述蛇形流道(142)的终点与所述气体出口连通。

9.根据权利要求8所述的一种超临界co2电催化转化装置，其特征在于，所述第一夹板组件(1)和所述第二夹板组件(2)均包括夹板和流道板，所述夹板和所述流道板嵌套连接，所述流道板设置有所述蛇形流道(142)，所述夹板沿周向设置有多个螺纹连接孔，两个所述夹板通过多组穿过所述螺纹连接孔的螺栓和螺母组件(7)固定在一起。

10.一种超临界co2电催化还原方法，其特征在于，应用于如权利要求1至9任一项所述的超临界co2电催化转化装置，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种超临界CO<subgt;2</subgt;电催化转化装置，包括可拆卸连接的第一夹板组件和第二夹板组件、以及设置在第一夹板组件和第二夹板组件之间的离子交换膜、电解质腔室、阴极电极和阳极电极，其中离子交换膜和电解质腔室设置在阴极电极和阳极电极中间，第一夹板组件、阴极电极、电解质腔室、阳极电极和第二夹板组件通过多个弧形凸起和多个弧形槽嵌套在一起，第一夹板组件设置有第一气体入口和第一气体出口，第二夹板组件设置有第二气体入口和第二气体出口，电解质腔室设置有流体出口和流体入口。本发明还公开了一种超临界CO<subgt;2</subgt;电催化还原方法。本发明的超临界CO<subgt;2</subgt;电催化转化装置能够对超临界状态下的CO<subgt;2</subgt;进行电催化，以提高了电催化效率。技术研发人员：奚桢浩,赵玲,张新胜,胡硕真,邹煜,朱跃进,李锦锦,蒋杰,朱志华,郭文泽,李枭受保护的技术使用者：华东理工大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29