一种新型阴极气体电极及CGE/H型电解装置

本技术涉及电解池装置，具体为一种新型阴极气体电极及cge/h型电解装置，本技术构建了一种新型阴极气体电极(cge)，其集成气体通道和气体扩散电极(gde)为一体。在电催化co2还原的过程中，在电极的表面形成气-固-液三相反应界面。将该电极组装于h型电解池中，构成cge/h型电解装置，可实现工业级电流密度下电催化co2还原反应(co2rr)。

背景技术：

1、随着全球工业化的发展，大量的二氧化碳(co2)被排放于空气当中，引起了一系列全球广泛关注的环境问题。因此，急需有效治理、储存和转化co2的技术。其中，电催化还原co2得到高附加值的燃料和化学品，是一项“利碳”和整合电能的先进技术。但是，在实验室中电催化还原co2反应常规装置是三电极的h型电解池，通过电解溶解在电解质中的co2来考察阴极电极材料的催化性能，但co2rr受co2在水中较低的溶解度的限制，对还原产物(例：一氧化碳(co)，甲酸(hcooh)，乙醇(ch3ch2oh)等)的电流密度远远低于工业应用电流密度(～100macm-2)。lu等设计了ni-zn-n-c催化剂，在h型电解池中，测试电位为-1.1v vs.rhe(相对可逆氢电极)下，对co的部分电流密度(jco)＜25ma cm-2(adv.mater.2021,33,2102212)。wang等设计了dng-safe单原子催化剂，在h型电解池中，最大jco＜50ma cm-2(adv.mater.2021,33,2003238)。luo等设计了方块银，在h型电解池中，最大jco＜10macm-2。zhu等设计了(nhx)16-nipc/cnts多相分子催化剂，在h型电解池中，显示最好的jco＜50macm-2(adv.mater.2022,34,2202830)。与此同时，邱等通过静电沉积设计了cusn催化剂，在h型电解池中，显示最好的jco＜45ma cm-2(申请号：201911285631.1)。彭等设计了bi-sn2o3纳米片，在h型电解池中，对hcooh显示最好的部分电流密度＜50ma cm-2(申请号：202111230597.5)。因此，迫切需要引入新的技术，以解决co2在水溶液中低溶解的限制，提升h型电解池整体性能，满足工业化应用的需要，是推动实现电催化co2资源化利用亟需解决的技术问题。

2、本工作通过集气体通道和阴极气体扩散电极为一体，设计了新型的cge，并组装于h型电解池中，组成cge/h型电解池，成功打破co2在水溶液中低溶解的限制，实现对还原产物达到工业级应用的电流密度。

技术实现思路

1、本实用新型所要解决的技术问题是提供一种新型的阴极气体电极—cge，并组装于h型电解池中，搭建cge/h型电解池装置，实现该装置中电催化co2还原反应(co2rr)达到工业级电流密度。

2、为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：

3、一种新型阴极气体电极(cge)：cge设计主要通过整合气体通道和气体扩散电极(gde：气体扩散层(gdl)+催化剂层)为一体(图1)，电极的具体制作过程见图2。cge主体部分包括一个空心方形聚四氟乙烯管和一个空心圆柱形聚四氟乙烯管；空心圆柱形聚四氟乙烯管位于上方，并与位于下方的空心方形聚四氟乙烯管配合密封连接，cge主体部分外部设有电流收集体；作为co2气体分子的入口通道，空心圆柱形聚四氟乙烯管顶端设有进气口，cge底部开一个圆孔，用于排出气体、进入的电解液和溢流电解的出口。气相产物从电解液中溢出，再从阴极出气口排出，被收集或进入气相色谱检测。在cge的空心方形聚四氟乙烯管的侧面开一个方孔，气体扩散层(gdl)通过树脂胶粘贴在方孔的一侧，并连接电流收集体用于收集电信号(图3-9)。将成品催化剂喷涂在gdl表面，形成气体扩散电极(gde)。cge工作之前，气体从cge上方进气口通入(图3-10)。在co2rr过程中，在cge的表面形成气-固-液三相反应界面(图1)，而溢出的电解质随着流动的co2气体被迅速转移至原始电解质中，这有助于减缓溢流液体对电流信号的干扰，并利于大电流下电解池运行的稳定性。

4、cge/h型电解池：一种新型的cge/h型电解池，主体结构包括阴极室和阳极室，阴极室与阳极室通过固定夹连接到一起。同时阳离子交换膜置于两室之间，用于消除co2交互。cge位于阴极室，阴极室反应槽与上端的密封盖螺纹连接，该密封盖上设有阴极出气口，以及用于安装参比电极和cge的电极固定口，出气口设置在cge的右侧，参比电极在cge的左侧，参比电极接测试仪器参比电极口，cge接测试仪器工作电极口。参比电极和cge要深入电解液内，且电极底部保持统一高度。阳极室反应槽与上端的密封盖螺纹连接，该密封盖上设有阳极进气口和阳极出气口，以及用于安装对电极的固定口，对电极由集流杆和位于集流杆底端的铂片组成，进气口和出气口位于集流杆两侧，进气口、集流杆、出气口均通过聚四氟乙烯螺帽固定在密封盖上。同时阳极室反应槽中置有电解液，对电极铂片的底部要深入电解液内，对电极的集流杆接测试仪器接口。

5、优选的，密封盖与阴、阳极室的连接为螺纹连接，并且主体为h型。主体的h型材质为玻璃或聚四氟乙烯密封材质。主体的大小依托反应面积进行改装。

6、优选的，所述密封盖与主体阴极室和阳极室之间的连接为螺纹卡槽连接，密封盖有两组，分别对应于阴极室、阳极室。

7、优选的，阴、阳极室通过固定夹固定连接，中间通过阳离子交换膜隔开。

8、优选的，cge的反应面积可以根据反应需要调控，范围为0.5×0.5～10×10cm2。

9、本发明cge/h型电解池在常温下工作，电催化co2rr通过在线气相色谱(online-gc)检测气体产物，液体产物通过核磁共振进行检测。

10、与现有技术相比，本实用发明的优势是：

11、(1)本作品设计的阴极气体电极cge，是集气体通道和气体扩散电极为一体，优化了co2供给方式，促使co2以气体分子形式与催化位点反应，而不是首先溶解于电解液中，最大化co2分子与催化剂之间的接触。

12、(2)本作品设计的cge/h型电解池，是集气-固-液三相反应界面于阴极电极，解决因co2低溶解度而导致h型电解池对单一产物的电流密度仅有几～几十毫安每平方厘米的技术窘境，实现工业电流密度下稳定运行。

技术特征：

1.一种新型阴极气体电极，其特征在于，所述新型阴极气体电极(cge)的主体部分包括一个空心方形聚四氟乙烯管和一个空心圆柱形聚四氟乙烯管；空心圆柱形聚四氟乙烯管位于上方，并与位于下方的空心方形聚四氟乙烯管配合密封连接，cge主体部分外部设有电流收集体；作为co2气体分子的入口通道，空心圆柱形聚四氟乙烯管顶端设有进气口，cge底部开一个圆孔，用于排出气体、进入电解液和溢流电解的出口；在cge的空心方形聚四氟乙烯管的侧面开一个方孔，气体扩散层(gdl)通过树脂胶粘贴在方孔的一侧，并连接电流收集体用于收集电信号，将成品催化剂喷涂在gdl表面，形成气体扩散电极。

2.采用如权利要求1所述的一种新型阴极气体电极组装而成的cge/h型电解装置，其特征在于，主体结构包括阴极室和阳极室，阴极室与阳极室通过固定夹连接到一起，同时阳离子交换膜置于两室之间，用于消除co2交互；cge位于阴极室，阴极室反应槽与上端的密封盖螺纹连接，该密封盖上设有阴极出气口，以及用于安装参比电极和cge的电极固定口，出气口设置在cge的右侧，参比电极在cge的左侧，参比电极接测试仪器参比电极口，cge接测试仪器工作电极口；参比电极和cge要深入电解液内，且电极底部保持统一高度；阳极室反应槽与上端的密封盖螺纹连接，该密封盖上设有阳极进气口和阳极出气口，以及电极用于安装对电极的固定口，对电极由集流杆和位于集流杆底端的铂片组成，进气口和出气口位于集流杆两侧，进气口、集流杆、出气口均通过聚四氟乙烯螺帽固定在密封盖上，同时阳极室反应槽中置有电解液，对电极铂片的底部要深入电解液内，对电极的集流杆接测试仪器接口。

3.如权利要求2所述的cge/h型电解装置，其特征在于，密封盖有两组，分别对应于阴极室、阳极室，密封盖与主体阴极室和阳极室之间的连接为螺纹卡槽连接。

4.如权利要求2所述的cge/h型电解装置，其特征在于，cge的反应面积可以根据反应需要调控，范围为0.5×0.5～10×10cm2。

5.如权利要求2所述的cge/h型电解装置，其特征在于，一个导电金属从cge的气体扩散电极的顶端，延伸至阴极室的外侧，用作电流收集体。

6.如权利要求2所述的cge/h型电解装置，其特征在于，整个cge的外侧，除了反应面积外用不导电胶带密封。

技术总结本技术涉及电解池装置技术领域，具体为一种新型阴极气体电极及CGE/H型电解装置。CGE设计主要通过整合气体通道和气体扩散电极(GDE，气体扩散层(GDL)+催化剂层)为一体，优化了CO<subgt;2</subgt;供给方式，促使CO<subgt;2</subgt;以气体分子形式与催化位点反应，而不是首先溶解于电解液中，最大化CO<subgt;2</subgt;分子与催化剂之间的接触。CGE/H型电解池，是集气‑固‑液三相反应界面于阴极电极，解决因CO<subgt;2</subgt;低溶解度而导致H型电解池对单一产物的电流密度仅有几～几十毫安每平方厘米的技术窘境，实现工业电流密度下稳定运行。技术研发人员：吕晓萌,龚善和受保护的技术使用者：江苏大学技术研发日：20230814技术公布日：2024/7/11