一种高效的流动池集流体组件及其制备方法和应用

本发明涉及二氧化碳还原领域，尤其涉及一种高效的流动池集流体组件及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电化学co2还原反应可以将co2转化为有价值的碳基化学品，这为可再生电力储存和绿色碳循环提供了一条有前景的途径。一个完整的电化学co2还原系统是由多个部分组成的，除催化剂材料外，电解液、离子交换膜、电解池等部分都可能对电化学co2还原系统的整体性能产生直接的影响，流动电解池通过解决质量传输限制，使电化学co2还原可以在工业电流密度(>200ma/cm2)下运行，得到广泛应用。

2、目前最常用的电化学co2还原流动电解池结构如图1-2所示，主要由支撑外板、流动板、气体扩散电极、离子交换膜四个部分组成。其中，气体扩散电极将阴极电解液和co2气体通道分开，离子交换膜将阴阳两极电解液隔开，流动板分别用于co2气体、阳极电解液和阳极电解液的传输，流动板的两端连有导管以保证体系co2气体和电解液的顺利流通。支撑外板和螺丝是用于支撑和固定流动池各部分结构的组件，多为不锈钢或聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚醚酮等高分子材料制成，外板应该表面平整且具有耐腐蚀性质。支撑外板和流动板组件之间需要使用密封衬垫以确保整个反应池的紧实密封，防止出现体系漏气或者渗液现象，部件及组装方式如图2所示。

3、气体扩散电极的基本结构是由气体扩散层、集流体和多孔催化剂层组成的，集流体主要用于维持体系良好的电子传输效率，用以降低整个装置的电阻损耗，目前最常用的流动电解池集流体组件多为304不锈钢、铜、钛等材质制成的金属薄板或者石墨薄板，结构如图3所示。虽然金属集流体应用于电化学co2还原反应有利于降低电阻提高电子传输效率，但这些金属在电催化反应过程中容易发生腐蚀和参与电催化反应。例如，钛和不锈钢中含有的铁、镍、锰、钛等金属，在阴阳两极容易发生析氢/氧反应，析氢/氧竞争反应会导致催化剂对于电化学co2还原和阳极氧化反应的选择性和能量转换效率下降。金属的腐蚀一般通过两种途径进行：化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀：金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。电化学腐蚀：金属材料(合金或不纯的金属)与电解质溶液接触,通过电极反应产生的腐蚀。由于金属作为一个整体是电中性的，当金属与溶液接触时由于其具有自发腐蚀的倾向，金属就会变成离子进入溶液，留下相应的电子在金属表面上。但是制备原料中的铁、镍、钛、锰、铬、碳等元素在反应过程中开孔部分会与电解液接触，并且作为集流体在电流作用下很容易在阴阳两极发生析氢/氧反应，影响阴阳两极催化剂自身性能的同时，造成集流体组件的部分严重腐蚀，如图4所示。

技术实现思路

1、本发明提供了一种高效的流动池集流体组件及其制备方法和应用，以解决目前流动电解池中金属集流体发生腐蚀和参与电催化反应的技术问题，有利于降低后续应用过程中电化学co2还原反应的体系电压，并提高能量转换效率和稳定性。

2、为了解决上述技术问题，本发明目的之一提供了一种高效的流动池集流体组件，包括集流体，所述集流体的中部开设有穿孔，所述穿孔的内表面设置有聚四氟乙烯涂层或环氧树脂粘结剂。

3、本发明在集流体中心穿孔位置附近喷涂ptfe涂层和涂覆环氧树脂粘结剂两种方法，实现对集流体组件的设计和优化，具有防水防腐功效，避免电催化反应过程中集流体组件腐蚀和参与反应，从而提升电催化反应的效率，环氧树脂胶粘剂相比其他常见粘胶具有更好的耐高温和耐化学品性能，能耐受高温、溶剂和风雨侵蚀。

4、作为优选方案，所述穿孔呈方形设置。

5、作为优选方案，所述集流体为不锈钢集流体。

6、作为优选方案，所述环氧树脂粘结剂为环氧树脂ab胶。

7、作为优选方案，所述聚四氟乙烯涂层或环氧树脂ab胶层的厚度为0.2-0.8mm。

8、为了解决上述技术问题，本发明目的之二提供了一种高效的流动池集流体组件的制备方法，包括以下步骤：

9、(1)对所述集流体的表面进行打磨除锈、清洁、干燥处理；

10、(2)对所述集流体的穿孔内表面喷涂聚四氟乙烯或涂敷环氧树脂ab胶；

11、(3)对喷涂聚四氟乙烯的集流体进行加热固化处理，对涂敷环氧树脂ab胶的集流体进行室温静置固化处理，即得。

12、作为优选方案，在步骤(1)中，将所述集流体先后浸没于水、乙醇、异丙醇中分别超声5min以上进行清洁。

13、作为优选方案，在步骤(2)中，对所述集流体的穿孔内表面喷涂聚四氟乙烯时，采用粉末喷涂法或分散涂层法。

14、作为优选方案，在步骤(2)中，所述粉末喷涂法为将聚四氟乙烯粉末放入喷涂设备中，利用喷涂枪将粉未均匀地喷射到集流体的穿孔内表面。

15、作为优选方案，在步骤(2)中，所述分散涂层法为将含有60wt％聚四氟乙烯浓缩分散液放入喷涂设备中，通过喷涂枪将分散液均匀喷射到集流体的穿孔内表面，所述聚四氟乙烯浓缩分散液喷涂前进行超声处理。

16、作为优选方案，所述聚四氟乙烯粉末的粒径为5-100μm。

17、作为优选方案，在步骤(2)中，对所述集流体的穿孔内表面涂敷环氧树脂ab胶；在步骤(3)中室温静置固化2h以上。

18、作为优选方案，在步骤(3)中，对喷涂聚四氟乙烯的集流体进行加热固化处理，随后烧结处理，加热温度在300℃以下，加热时间为0.5-2h。

19、作为优选方案，在步骤(3)中，对喷涂聚四氟乙烯的集流体进行加热固化处理，加热温度为100-300℃，烧结温度为200-500℃，烧结时间为25-30min。

20、为了解决上述技术问题，本发明目的之三提供了一种高效的流动池集流体组件在流动电解池中的应用，所述集流体在流动电解池中作为阳集流体或阴集流体。

21、相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

22、本发明在集流体中心穿孔位置附近喷涂ptfe涂层和涂覆环氧树脂粘结剂两种方法，实现对集流体组件的设计和优化，具有防水防腐功效，隔绝集流体与电解液的接触，避免电催化反应过程中集流体组件腐蚀和参与反应，从而提升电催化反应的效率。

技术特征：

1.一种高效的流动池集流体组件，其特征在于，包括集流体，所述集流体的中部开设有穿孔，所述穿孔的内表面及四周设置有聚四氟乙烯涂层或环氧树脂粘结剂层。

2.如权利要求1所述的一种高效的流动池集流体组件，其特征在于，所述穿孔呈方形设置。

3.如权利要求1所述的一种高效的流动池集流体组件，其特征在于，所述集流体为不锈钢集流体。

4.如权利要求1所述的一种高效的流动池集流体组件，其特征在于，所述聚四氟乙烯涂层或环氧树脂粘结剂层的厚度为0.2-0.8mm。

5.一种如权利要求1-4任一所述的高效的流动池集流体组件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的一种高效的流动池集流体组件的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，对所述集流体的穿孔内表面喷涂聚四氟乙烯时，采用粉末喷涂法或分散涂层法。

7.如权利要求6所述的一种高效的流动池集流体组件的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述粉末喷涂法为将聚四氟乙烯粉末放入喷涂设备中，利用喷涂枪将粉未均匀地喷射到集流体的穿孔内表面；

8.如权利要求5所述的一种高效的流动池集流体组件的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，对所述集流体的穿孔内表面涂敷环氧树脂粘结剂；在步骤(3)中室温静置固化2h以上。

9.如权利要求5所述的一种高效的流动池集流体组件的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，对喷涂聚四氟乙烯的集流体进行加热固化处理，随后烧结处理，加热温度在300℃以下，加热时间为0.5-2h，烧结温度为200-500℃，烧结时间为25-30min。

10.一种如权利要求1-4任一所述的高效的流动池集流体组件在流动电解池中的应用，其特征在于，所述集流体在流动电解池中作为阳极集流体或阴集流体。

技术总结本发明公开了一种高效的流动池集流体组件及其制备方法和应用，涉及二氧化碳还原领域。集流体组件包括集流体，集流体的中部开设有穿孔，穿孔的内表面及四周设置有聚四氟乙烯涂层或环氧树脂粘结剂层。本发明通过在集流体中心穿孔位置表面设置PTFE涂层或环氧树脂粘结剂层两种方法，以实现对集流体组件的设计和优化，具有防水防腐功效，隔绝集流体与电解液的接触，避免电催化反应过程中集流体组件腐蚀和参与电化学反应，有利于降低后续应用过程中电化学CO<subgt;2</subgt;还原反应的体系电压，并提高能量转换效率和稳定性。技术研发人员：何劲夫,康彩桃,李昌黎,李严明,丁成龙受保护的技术使用者：中山大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2