專利名稱：膜反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種膜反應(yīng)器，尤其涉及一種用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的膜反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
以化石能源為核心的資源枯竭問題和以氣候變化為核心的環(huán)境問題是當(dāng)前人類面臨的兩大危機(jī)。自工業(yè)革命以來(lái)的上百年里，大量使用化石能源導(dǎo)致其資源短缺，對(duì)環(huán)境也產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響，以地球變暖為核心的全球環(huán)境問題日益嚴(yán)重，已經(jīng)成為威脅人類可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一，削減溫室氣體排放以減緩氣候變化成為當(dāng)今國(guó)際社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。大量含碳能源的消耗加快了CO2排放速度，打破了自然界CO2循環(huán)的平衡，造成CO2在大氣中的積累，一方面形成溫室效應(yīng)引起氣候變化，另一方面造成了碳源流失。利用可再生能源將CO2轉(zhuǎn)化成含碳的化工原料或燃料則是實(shí)現(xiàn)能源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵課題。資源化利用CO2主要可通過化學(xué)轉(zhuǎn)化、光化學(xué)還原、電化學(xué)或化學(xué)還原、生物轉(zhuǎn)化、CO2與甲烷的重構(gòu)、CO2的無(wú)機(jī)轉(zhuǎn)化方面進(jìn)行。其中化學(xué)轉(zhuǎn)化、CO2與甲烷的重構(gòu)均需要在高溫(900-1200K)進(jìn)行，輸入輸出能量不匹配。而光化學(xué)還原的效率小于1%，最大效率僅為4.5%，反應(yīng)選擇性及效率均限制了其應(yīng)用。CO2的無(wú)機(jī)轉(zhuǎn)化易形成CaCO3廢棄物。生物轉(zhuǎn)化CO2反應(yīng)器仍處于探索階段。電化學(xué)還原易使分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的CO2形成激發(fā)態(tài)CO2陰離子，進(jìn)一步生產(chǎn)甲酸、甲醇、乙醇、甲烷等高附加值的有機(jī)產(chǎn)品，其過程的能源利用效率高，目前已成為研究的重點(diǎn)。與其他CO2轉(zhuǎn)化利用路線相比，電化學(xué)轉(zhuǎn)化頗具吸引力。電化學(xué)CO2轉(zhuǎn)化一方面可以通過控制不同的陰極還原電位和催化劑從而得到不同的產(chǎn)物；另外反應(yīng)無(wú)需在高溫高壓下進(jìn)行，所以對(duì)反應(yīng)裝置要求低，體系簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，操作條件溫和。同時(shí)，CO2電化學(xué)轉(zhuǎn)化可望有效的利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源作為電解電源，作為新型的儲(chǔ)能方式。目前國(guó)內(nèi)外在研究CO2電化學(xué)還原問題主要集中在CO2電化學(xué)基礎(chǔ)研究，電化學(xué)反應(yīng)器是CO2轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)。反應(yīng)器 和系統(tǒng)研究均處于起步階段，在反應(yīng)器方面多采用槽式電解池，傳統(tǒng)的槽式電解池效率低下，通量小，不利于產(chǎn)業(yè)化。中國(guó)發(fā)明專利200810058225.7公開了 CO2在離子液體中的電化學(xué)還原方法和裝置。在該電化學(xué)反應(yīng)裝置中的陰極室內(nèi)注入離子液體，并通入CO2，在陽(yáng)極雙極板內(nèi)側(cè)通入氫氣，氫氣在陽(yáng)極上被氧化，生成質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子則通過外電路轉(zhuǎn)移到陰極，CO2和質(zhì)子在陰極上發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)，生成甲醇等有機(jī)化合物，生成的有機(jī)化合物經(jīng)精餾，得到甲醇、水和其他副反應(yīng)產(chǎn)物。但該專利使用的離子液體價(jià)格高、不穩(wěn)定并與產(chǎn)物分離困難，另外還需要加入氫氣原料，導(dǎo)致電化學(xué)還原CO2的性價(jià)比較低，而且陰極為液相環(huán)境、陽(yáng)極為氣相環(huán)境，兩極間存在較大壓差，反應(yīng)裝置無(wú)法放大生產(chǎn)。中國(guó)發(fā)明專利201010266161公開了一種能通過電化學(xué)還原CO2制取甲醇的空氣擴(kuò)散電極的制備方法。該方法包括在親水性導(dǎo)電的碳布上涂覆聚四氟乙烯憎水透氣層，然后在該碳布上再沉積一層活性催化劑。活性催化劑層的成分主要包括氧化銅、氧化釕以及氧化銅和其它金屬氧化物的復(fù)合物或者氧化釕和其它金屬氧化物的復(fù)合物。該涂覆了聚四氟乙烯和催化劑活性層的空氣擴(kuò)散電極能夠?qū)O2通過電化學(xué)還原制成甲醇。但該方案的空氣擴(kuò)散電極對(duì)催化劑利用率和產(chǎn)率均較低。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，確有必要提供一種具有較高二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化率的膜反應(yīng)器。—種膜反應(yīng)器，用于將二氧化碳電化學(xué)轉(zhuǎn)化為預(yù)期產(chǎn)物，包括:一電源；一腔體；一電解質(zhì)隔膜設(shè)置在該腔體中，并將該腔體分隔為陰極室以及陽(yáng)極室；一陽(yáng)極設(shè)置在所述陽(yáng)極室內(nèi)；以及一陰極設(shè)置在所述陰極室內(nèi)；其中，所述電源具有一正極端以及一負(fù)極端，所述正極端與所述陽(yáng)極電連接，所述負(fù)極端與所述陰極電連接，所述陰極為一滴流床結(jié)構(gòu)，包括一多孔導(dǎo)電支撐層，以及設(shè)置在該多孔導(dǎo)電支撐層上的陰極催化劑。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明實(shí)施例提供的膜反應(yīng)器的陰極采用滴流床的結(jié)構(gòu)，二氧化碳與所述陰極電解液可高通量且連續(xù)的通過所述陰極催化劑表面發(fā)生三相反應(yīng)，從而該膜反應(yīng)器可以大通量、連續(xù)地處理二氧化碳。且CO2電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化為有機(jī)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率聞，可達(dá)到80%以上。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的膜反應(yīng)器的剖面正視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的具有燃料電池的膜反應(yīng)器的剖面正視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的膜反應(yīng)器的陰極正視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的二氧化碳電化學(xué)轉(zhuǎn)化利用方法的流程圖。主要元件符號(hào)說(shuō)明
權(quán)利要求
1.一種膜反應(yīng)器，用于將二氧化碳電化學(xué)轉(zhuǎn)化為預(yù)期產(chǎn)物，包括: 一電源； 一腔體； 一電解質(zhì)隔膜設(shè)置在該腔體中，并將該腔體分隔為陰極室以及陽(yáng)極室； 一陽(yáng)極設(shè)置在所述陽(yáng)極室內(nèi)；以及 一陰極設(shè)置在所述陰極室內(nèi)； 其中，所述電源具有一正極端以及一負(fù)極端，所述正極端與所述陽(yáng)極電連接，所述負(fù)極端與所述陰極電連接，其特征在于，所述陰極為一滴流床結(jié)構(gòu)，包括一多孔導(dǎo)電支撐層，以及設(shè)置在該多孔導(dǎo)電支撐層上的陰極催化劑。
2.如權(quán)利要求1所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述陰極室進(jìn)一步包括一陰極進(jìn)料口，用于使陰極電解液與所述二氧化碳從該陰極進(jìn)料口向該陰極室持續(xù)并流進(jìn)料，從而使該陰極電解液及二氧化碳流經(jīng)該陰極催化劑表面發(fā)生三相反應(yīng)。
3.如權(quán)利要求1所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述多孔導(dǎo)電支撐層的開孔率為30%至90%。
4.如權(quán)利要求1所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述多孔導(dǎo)電支撐層的厚度為2毫米至30暈米。
5.如權(quán)利要求1所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述多孔導(dǎo)電支撐層的孔為曲線狀通孔，從所述多孔導(dǎo) 電支撐層厚度方向的一端延伸到另一端。
6.如權(quán)利要求1所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述多孔導(dǎo)電支撐層的材料為耐陰極電解液腐蝕的金屬或合金。
7.如權(quán)利要求1所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述陰極催化劑設(shè)置于所述多孔導(dǎo)電支撐層的孔中。
8.如權(quán)利要求1所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述多孔導(dǎo)電支撐層具有一支撐骨架，所述陰極催化劑設(shè)置于該支撐骨架上。
9.如權(quán)利要求1所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述陰極催化劑為鋅、鎘、銦、鈦、錫、鉛、秘、IE、鉬、銅、銀及金中一種或上述材料任意組合的合金或上述材料至少一種的氧化物或承載有至少一種上述材料的載體型催化劑。
10.如權(quán)利要求1所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述陽(yáng)極包括一多孔擴(kuò)散層以及一陽(yáng)極催化劑層設(shè)置于該多孔擴(kuò)散層表面，所述陽(yáng)極催化劑層位于該多孔擴(kuò)散層以及電解質(zhì)隔膜之間。
11.如權(quán)利要求10所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述陽(yáng)極催化劑層與所述電解質(zhì)隔膜零間距設(shè)置。
12.如權(quán)利要求1所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述電解質(zhì)隔膜為增強(qiáng)型離子交換膜。
13.如權(quán)利要求12所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述增強(qiáng)型離子交換膜為增強(qiáng)型全氟磺酸膜、增強(qiáng)型全氟羧酸膜或增強(qiáng)型全氟磺酸/全氟羧酸復(fù)合膜。
14.如權(quán)利要求1所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述電解質(zhì)隔膜的厚度為50微米至500微米。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述電源包括一電化學(xué)電源。
16.如權(quán)利要求15所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述電源進(jìn)一步包括一直流電源，所述電化學(xué)電源與所述直流電源并聯(lián)連接，所述直流電源的正負(fù)極分別與所述陽(yáng)極與陰極電連接，用于給所述二氧化碳的電化學(xué)轉(zhuǎn)化提供電力；所述電化學(xué)電源用于給該直流電源提供電力。
17.如權(quán)利要求16所述的膜反應(yīng)器，其特征在于，所述電源進(jìn)一步包括一電能控制器與所述電化學(xué)電源以及所述直流電源并聯(lián)連接，用于將所述電化學(xué)電源提供的電能轉(zhuǎn)化為所述膜反應(yīng)器電解 還原二氧化碳所需的直流電能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種膜反應(yīng)器，用于將二氧化碳電化學(xué)轉(zhuǎn)化為預(yù)期產(chǎn)物，包括一電源；一腔體；一電解質(zhì)隔膜設(shè)置在該腔體中，并將該腔體分隔為陰極室以及陽(yáng)極室；一陽(yáng)極設(shè)置在所述陽(yáng)極室內(nèi)；以及一陰極設(shè)置在所述陰極室內(nèi)；其中，所述電源具有一正極端以及一負(fù)極端，所述正極端與所述陽(yáng)極電連接，所述負(fù)極端與所述陰極電連接，所述陰極為一滴流床結(jié)構(gòu)，包括一多孔導(dǎo)電支撐層，以及設(shè)置在該多孔導(dǎo)電支撐層上的陰極催化劑。該膜反應(yīng)器具有較好的二氧化碳電化學(xué)轉(zhuǎn)化利用效率以及能量循環(huán)利用率。
文檔編號(hào)C25B9/08GK103160851SQ201110411730
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者王誠(chéng), 趙晨辰, 劉志祥, 郭建偉, 何向明 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司