一种用于CO2催化还原的三电极体系及其使用方法

本发明涉及co2电催化还原设备，尤其是涉及一种用于co2催化还原的三电极体系及其使用方法。

背景技术：

1、电催化还原co2(电催化co2rr)是指利用电化学反应，通过使用催化剂将二氧化碳电解还原成多种可利用物质的一项技术。电催化还原co2的历史可以追溯到19世纪。1870年，royer首次报道了在zn电极上将co2还原为甲酸。近年来，在电储能不断发展和全球气候变化的背景下，电催化还原co2逐渐受到科学界的关注。因此，在各种co2资源化技术中，电催化co2rr是一种极具应用前景的技术。电催化co2rr提供了一种新的途径，即通过产生二氧化碳还原产物，以化学能的形式储存来自可再生能源的电能。为了提高电催化co2rr的能源效率和可行性，重要的是降低操作过电位并保持较大的电流密度和较高的产品选择性；电催化co2rr的性能优化涉及到电解池、离子交换膜、电解液、电催化剂以及与可再生能源整合的潜在协同效应等环节。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种用于co2催化还原的三电极体系及其使用方法，本发明利用电化学体系实现co2电催化还原中阳极产生的co/h2合成气的及时转化，以提高co2电催化还原效率，降低了过程的整体成本。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种用于co2催化还原的三电极体系，包括三电极、阴极电解池、阳极电解池以及设置在阴极电解池与阳极电解池池之间的nafion质子交换膜；所述阴极电解池设置有顶部通道、左侧通道、前侧通道和右侧通道，所述阳极电解池设置有后侧通道以及顶部通道；

3、所述三电极包括工作电极、参比电极以及对电极所述工作电极为疏水碳纸，所述参比电极为汞-氧化汞标准电极，对电极为石墨棒电极；

4、所述阴极电解池发生发生二氧化碳的还原反应，电解液为khco3溶液，所述阳极电解池内为k2co3溶液。

5、优选的，所述khco3的浓度为0.5m，所述k2co3的浓度为0.25m。

6、优选的，所述阴极电解池的顶部通道放置工作电极，左侧通道放置参比电极，右侧通道通入co2气体，右侧通道的管壁上设置有流量计。

7、优选的，所述工作电极上负载有催化剂，所述催化剂为pdag@mil-100-nh2或pdag@zif-67。

8、优选的，所述阳极电解池的顶部通道固定有对电极，所述后侧通道被封闭。

9、优选的，所述nafion质子交换膜包裹有若干聚四氟乙烯膜，所述nafion质子交换膜经过活化。

10、优选的，所述nafion质子交换膜的活化包括以下步骤：

11、(1)去除有机离子：将nafion质子交换膜在5％的过氧化氢水溶液中煮沸1h；

12、(2)去除无机离子：将步骤(1)处理过nafion质子交换膜用超纯水冲洗后，在1mol/l硫酸溶液中煮沸1h；

13、(3)成品：将步骤(2)处理过的nafion质子交换膜在超纯水中煮沸1h，自然晾干后保存。

14、本发明还提供了一种用于co2催化还原的三电极体系的使用方法，包括以下步骤：

15、s1、将nafion质子交换膜包裹若干聚四氟乙烯膜，并经过活化后放置于阴极电解池与阳极电解池之间，在阴阳极腔室加入co2饱和khco3溶液，在阴极放置工作电极和参比电极，在阳极放置对电极；

16、s2、组装完毕后，密封反应器并再次通入co2气体，与电化学工作站连接，进行循环伏安法扫描，随后进行线性伏安扫描，二者交替进行三次，对h型电解池密封并检查气密性；

17、s3、进行计时电流测试，各电位测试后对阴极室以500r/min搅拌条件下以通入10min co2气体，计时电流法运行至少30min后，通过气相色谱仪的火焰电离检测器(fid)和热导检测器(tcd)对气态产物(主要是h2以及co)进行定量检测，采用高纯氩气作为载气。

18、优选的，步骤s2中，循环伏安法扫描时扫描速率为100mv·s-1，电压范围为0.1v到1.2v(vs.rhe)，线性伏安扫描的扫描范围从0至-1.1v(vs.rhe)，扫描速率为100mv·s-1。

19、因此，本发明采用上述的用于co2催化还原的三电极体系，具备以下有益效果：

20、本发明利用电化学体系实现实现co2电催化还原中阳极产生的co/h2合成气的及时转化，以提高co2电催化还原效率，降低了过程的整体成本，具体来说，在反应的过程中及时脱离电解阳极室体系并消耗转化，避免二氧化碳对碱性体系内氢氧根离子的消耗以及由此产生的碳酸盐对隔膜的污堵问题，降低二氧化碳对产品氢气的掺混污染；通过电化学反应，二氧化碳被还原形成有价值的产品，也避免了二氧化碳的释放，达到零碳排放的目的。

21、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种用于co2催化还原的三电极体系，其特征在于，包括三电极、阴极电解池、阳极电解池以及设置在阴极电解池与阳极电解池池之间的nafion质子交换膜；所述阴极电解池设置有顶部通道、左侧通道、前侧通道和右侧通道，所述阳极电解池设置有后侧通道以及顶部通道；

2.根据权利要求1所述的一种用于co2催化还原的三电极体系，其特征在于，所述khco3的浓度为0.5m，所述k2co3的浓度为0.25m。

3.根据权利要求2所述的一种用于co2催化还原的三电极体系，其特征在于，所述阴极电解池的顶部通道放置工作电极，左侧通道放置参比电极，右侧通道通入co2气体，右侧通道的管壁上设置有流量计。

4.根据权利要求1所述的一种用于co2催化还原的三电极体系，其特征在于，所述工作电极上负载有催化剂，所述催化剂为pdag@mil-100-nh2或pdag@zif-67。

5.根据权利要求2所述的一种用于co2催化还原的三电极体系，其特征在于，所述阳极电解池的顶部通道固定有对电极，所述后侧通道被封闭。

6.根据权利要求1所述的一种用于co2催化还原的三电极体系，其特征在于，所述nafion质子交换膜包裹有若干聚四氟乙烯膜，所述nafion质子交换膜经过活化。

7.根据权利要求6所述的一种用于co2催化还原的三电极体系，其特征在于，所述nafion质子交换膜的活化包括以下步骤：

8.根据权利要求1～7任一项所述的一种用于co2催化还原的三电极体系的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种用于co2催化还原的三电极体系的使用方法，其特征在于，步骤s2中，循环伏安法扫描时扫描速率为100mv·s-1，电压范围为0.1v到1.2v(vs.rhe)，线性伏安扫描的扫描范围从0至-1.1v(vs.rhe)，扫描速率为100mv·s-1。

技术总结本发明公开了一种用于CO<subgt;2</subgt;催化还原的三电极体系及使用方法，属于CO<subgt;2</subgt;电催化还原设备技术领域，包括三电极、阴极电解池、阳极电解池以及设置在阴极电解池与阳极电解池池之间的Nafion质子交换膜；所述阴极电解池设置有顶部通道、左侧通道、前侧通道和右侧通道，所述阳极电解池设置有后侧通道以及顶部通道；所述三电极包括工作电极、参比电极以及对电极，所述工作电极为疏水碳纸，所述参比电极为汞‑氧化汞标准电极，对电极为石墨棒电极；所述阴极电解池发生发生二氧化碳的还原反应，电解液为KHCO<subgt;3</subgt;溶液，所述阳极电解池内为K<subgt;2</subgt;CO<subgt;3</subgt;溶液。本发明利用电化学体系实现CO<subgt;2</subgt;电催化还原中阳极产生的CO/H<subgt;2</subgt;合成气的及时转化，以提高CO<subgt;2</subgt;电催化还原效率，降低了过程的整体成本。技术研发人员：沈健,胡东阳,代忠德,方田,赵赫,周琼芝,段佳豪,阳明亮受保护的技术使用者：湘潭大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11