二氧化碳电化学还原反应器的研究进展

电化学还原二氧化碳（CO₂）可实现CO₂的资源化转化，是实现自然界“碳循环”、缓解因CO₂过度排放所引起诸多环境问题的关键技术。本文综述了CO₂电还原反应器的研究发展现状，并依据电解质的不同对比分析了各反应器的结构、传质特征及与之匹配阴极的CO₂转化活性与选择性。研究指出膜电极构型反应器是当前CO₂电还原反应器发展的主要方向，其电解质材料的优选不仅决定于其离子选择性与电导率，还需考虑电催化材料的性质与膜电极效率。最后，提出膜电极构型反应器内的过程强化技术与自支撑结构的阴极设计将成为CO₂还原研究发展的新方向。     

多孔锡电极的制备及其用于CO_2电化学还原性能

用氢气泡动态模板法在铜基底上沉积锡制备了一种新型锡电极。采用SEM、EDS和XRD对多孔锡沉积层进行表征,并对其催化CO_2电化学还原制甲酸的性能进行了研究。SEM结果表明多孔锡沉积层具有自组织的蜂窝状三维多孔结构,同时EDS分析表明电极表面无杂质。XRD表征表明在基底和Sn沉积层交界处有Cu_5Sn_6合金生成,加强了两者之间的连接。采用不同扫描速率下循环伏安曲线法测试电化学表面积,多孔锡电极的电化学表面积大约是普通锡片电极的6倍。电极的循环伏安测试结果表明,多孔锡电极比普通锡片电极具有更高的电流密度,更正的起峰电位,说明具有多孔结构的电极对CO_2电化学还原反应具有更高的活性。通过考察KHCO_3浓度、还原电位对还原过程的影响,确定KHCO_3浓度为0.5 mol/L,还原电位为-1.7 V vs.SCE时,甲酸的电流效率可达73.9%。由此可见,多孔结构电极材料能有效地提高CO_2电还原的催化效果。     

Au电极上CO_2电还原过程中电极失活原因

在水溶液中,电还原CO_2制取CO时,电极易中毒失活,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)对反应前后的电极材料进行检测,研究CO_2在KHCO_3水溶液中发生电化学还原反应时,Au电极失活原因及电极材料活性降低对反应过程的影响。结果表明,电极表面吸附了一层黑色有害物质。这层黑色有害物质大部分是石墨碳,并有微量的铁和锌。采用塔菲尔曲线、电化学阻抗(EIS)、线性扫描曲线、恒电位电解和气相色谱法等研究了有害物质对CO_2电还原反应动力学过程的影响,发现随着反应的进行,生成CO的平衡电位负移,电荷转移电阻增大,交换电流密度变小,产物CO的电流效率迅速降低。说明电极表面附着的有害物质使电极材料活性降低,阻碍了CO_2电还原反应的进行。     

电解质种类对AgBi/C催化剂的CO2电催化还原选择性影响

利用简单液相法合成AgBi/C双金属催化剂,并探究其在不同种类的电解质溶液中CO_2电催化还原性能。研究表明说明电解质中阴离子种类对CO_2电催化还原的选择性有重要影响,在KCl电解质溶液中Ag Bi/C催化剂上CO_2电催化还原产物主要是HCOOH,在KHCO_3电解液中,低过电势时还原产物主要为CO。     

电解CO_2储存可再生电能的N-甲基吡咯烷酮/四丁基高氯酸铵电解液研究

将CO_2转化为甲醇,用作燃料或基础化工原料,是实现CO_2资源化利用的重要途径之一。研究设计了一种新型双室隔膜电解池,能够在N-甲基吡咯烷酮(NMP)/四丁基高氯酸铵(TBAP)溶液中,以可再生电能为能源,用电化学催化还原的方法将CO_2转化为CO,然后用工业制甲醇的传统方法将CO氢化还原为甲醇。循环伏安测试结果表明,CO_2在Au电极上发生了电还原反应;恒电位电解测试结果表明,阴极电流密度最高可达6.6 m A×cm~(-2);气相色谱检测结果表明,阴极气相反应产物主要为CO,生成CO的电流效率最高可达93%。由于CO_2电还原反应自身有H_2O生成,阴极表面有H2析出。扫描电镜(SEM)检测表明,Au电极表面没有附着物生成。在N-甲基吡咯烷酮/四丁基高氯酸铵溶液中电还原CO_2,具有电解液性质稳定、电极不中毒的优点,因而具有潜在的工业化应用前景。     

碳毡负载Sn气体扩散电极CO_2电化学还原性能

针对CO_2电化学还原中气体扩散电极可强化CO_2的传质,基于碳毡制备了负载锡-石墨烯催化层的新型气体扩散电极,研究了CO_2反应条件、电极厚度、催化剂载量及反应电位对CO_2电化学还原性能的影响。实验结果表明:与溶解态CO_2反应条件相比,采用气相CO_2反应条件电化学还原性能更好;一定范围内增加电极厚度和催化剂载量可以增加气-液-固三相反应界面,提升CO_2电化学还原性能;随着电解电位负移,甲酸产量增加,电流效率先增大后减小;实验中使用厚度为5 mm、载量为5 mg·cm-2的电极,在-1.8V(vs Ag/AgCl)条件下进行电化学还原时,平均电流密度为(12.79±1.27)mA·cm-2,甲酸电流效率达到最佳为41.55%±2.50%。     

离子交换膜在电解法制造碳酸钾中的应用研究

采用添加KHCO_3的阴极液循环法,由KCl水溶液的离子膜电解,一次得到K_2CO_3.试验中对Nafion膜的导电度进行了测定,探讨了碱金属阳离子在离子膜中的行为.对各种离子在Nafion膜中的移动速度进行了测定,表明影响电流效率的主要因素是OH~-离子的反向渗透.由于CO_3~(2-)在离子膜中的移动速度很小,所以在制取高浓度K_2CO_3时仍可获得90%以上的电流效率.通过控制添加的KHCO_3的量,可以得到KHCO_3及Cl~-含量极低的高纯度K_2CO_3.     

电解法再生热钾碱溶液的实验研究

为了降低二氧化碳(CO_2)捕集过程中的成本,对利用膜电解技术再生热钾碱吸收液的机理进行了研究.以K_2CO_3和KHCO_3的混合液作为模拟液,用离子膜电解装置对其进行脱碳处理,得出电解再牛的方法.可以使回收液中的KHCO_3转化率达到100%,该过程在析出CO_2的同时产生H_2,起到了对热钾碱吸收液再生利用的作用.     

CO_2电化学还原制甲醇研究进展

简要介绍了CO_2电化学还原制甲醇的反应原理,描述了CO_2在金属及其氧化物电极、合金电极、MOF材料上的还原性能以及不同类型电解质对该反应的影响,总结了不同种反应体系在CO_2电还原制甲醇方面的优缺点。提出为提高电还原催化性能,可深入研究例如合金、MOF材料、金属纳米材料等多功能复合材料;开发和利用新型电解质体系;深入探究CO_2电化学还原方法和路径,引导新型催化剂的开发及操作条件的优化。     

电化学过滤技术的研究现状与展望

通过对电化学过滤技术中采用的颗粒状、网块状、涂层状以及网膜状电极材料进行比较,提出以碳纳米管(carbon nanotube,CNT)及其表面改性和功能化应用的膜电极材料是电化学过滤技术中电极材料的良好选择。概述了改性商用聚碳酸酯外壳反应器、CNT/陶瓷基电极化膜(EM)反应器、CNT/Al2O3基膜组件反应器、CNT-聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)五层多功能复合电极反应器4种典型电化学过滤反应器和电化学过滤技术处理效果的影响因素,并指出以CNT为代表的三维网膜状电极材料的开发、利用与再生是未来电化学过滤技术研究的重点。