随着化石燃料的大量消耗和人口的迅猛增长，大气中CO2浓度由工业革命时期的280 ppm增加到当今的400 ppm。过多的CO2累积会加剧温室效应，并导致众多环境问题。因此，对CO2进行有效的减排与处置成为现今人类研究和关注的热点。对CO2进行电化学催化还原，可利用再生能源将CO2转化为能源燃料和有用的化工用品，其转化过程可控，具有经济效益而且不会造成二次污染，从而受到世界各国的关注。由于CO2分子常温下极其稳定近乎“惰性气体”，在CO2电催化还原过程中，催化剂性能成为关键挑战之一。因此，目前国内外的研究多集中于催化剂材料的制备及性能探究，且对于催化剂性能的评价往往是基于传统的三电极体系，对CO2电化学还原的实用化发展却关注度不够。CO2电化学反应器是关系到实际运用的关键性问题，这方面的研究尤其在我国几乎是空白。因此，从更为实用观点下对CO2电化学转化的评价体系角度出发，反应器的设计优化显得更为重要。 本论文基于传统 H 型反应器和燃料电池全固态聚合物电解质膜（SPEMs）电极结构（MEA）体系，设计了两种 CO2电化学还原反应器：MEA型反应器和 Flow-cell 型反应器。采用商业纳米锡（Sn）作为电极催化剂，对比研究了三类反应器（H 型反应器、MEA 型反应器和Flow-cell型反应器）中纳米Sn电催化CO2还原的活性和甲酸（2）反应器性能测试中，运用循环伏安（CV）法研究表明传统H型反应器的电流密度为12.5 mA cm-2，远低于MEA型反应器的23.5 mA cm-2和Flow-cell反应器的18.6 mA cm-2。恒电位电解实验结果表明： Flow-cell型反应器在-1.64 V（vs. SHE）条件下电解时，甲酸法拉第效率最高，高达79%，H型反应器产物法拉第效率达到65%，而MEA 型反应器法拉第效率普遍偏低。在恒电流电解条件下，H 型反应器的系统槽压远高于MEA型和Flow-cell型反应器的槽压。在控制10 mA cm-2的电流密度作用下，H型反应器的电压为6.67V，MEA型反应器的电压为2.12V，Flow-cell型反应器的电压为3.08V。Flow-cell型反应器相比传统H型反应器及MEA反应器具有更优的系统性能。 产物的法拉第效率。同时选用商业化A901型、Yichen型、FAD型碱性阴离子交换膜以及Nafion 117型酸性阳离子交换膜作为阴、阳反应池隔膜，对比研究了CO2在酸、碱交换膜体系中的电化学还原反应性能。本实验还探究了电极距离、电解液流速和CO2通入速率等条件对CO2电化学还原反应的影响。得出以下结果： （1）商业Sn纳米尺寸分布在40-100 nm范围，具有优良的催化活性，经过CV曲线测试得到最大电流密度可达11 mA cm-2。在最佳载量为3 mg cm-2，在-1.64 V（vs. SHE）条件下电解1小时，法拉第效率可达65%。 （2）反应器性能测试中，运用循环伏安（CV）法研究表明传统H型反应器的电流密度为12.5 mA cm-2，远低于MEA型反应器的23.5 mA cm-2和Flow-cell反应器的18.6 mA cm-2。恒电位电解实验结果表明： Flow-cell型反应器在-1.64 V（vs. SHE）条件下电解时，甲酸法拉第效率最高，高达79%，H型反应器产物法拉第效率达到65%，而MEA 型反应器法拉第效率普遍偏低。在恒电流电解条件下，H 型反应器的系统槽压远高于MEA型和Flow-cell型反应器的槽压。在控制10 mA cm-2的电流密度作用下，H型反应器的电压为6.67V，MEA型反应器的电压为2.12V，Flow-cell型反应器的电压为3.08V。Flow-cell型反应器相比传统H型反应器及MEA反应器具有更优的系统性能。 （3）通过进行恒电流电解实验，四种膜的最佳电流密度为10 mA cm-2。控制该电流密度条件下，FAD 碱性膜的产物法拉第效率最大，达到90.1%，明显高于A901（79.2%）和Yichen（82.8%）碱性膜， 甚至略优于酸性离子交换膜Nafion117 （89.2%）。由于碱性阴离子交换膜可以有效抑制CO2还原产物从阴极反应池向阳极反应池的“透过”损失，在CO2电化学还原领域中具有高的潜能。 （4）电极距在1.5 cm到2.7 cm之间时电流密度都大于25 mA cm-2，但是当电极距离变为3.3 cm时，电流密度骤降到13.8 mA cm-2，不足电极距离为2.7 cm时的一半。10 mA cm-2条件下恒电流电解时，当电极距由1.5cm增加到5.7cm时，工作电极电压只由1.48V增加为1.84V，只增加了0.36V。而系统的槽压却由2.82V增加到了6.67V，增加了4.83V。在电极距为1.5cm时甲酸法拉第效率最高，为80%。当电极距为 5.7cm 时，甲酸法拉第效率最低，为 60%。电极距对 CO2电化学还原反应有重要影响，当电极距离逐渐增大时，电流密度越来越小，法拉第效率随之降低。因此，传统的H 型反应器由于存在电阻“死区”过大，产生极化电势过高，从而导致系统的电流效率降低 （5）在Flow-cell反应器中，当使用单侧进样时，随着CO2流速的增加增大，甲酸的法拉第效率呈先增后减趋势。当CO2流速为30 mL min-1时，甲酸的法拉第效率最高，为90.1%。当CO2流速大于30 mL min-1时，甲酸法拉第效率开始降低，在控制50 mL min-1时,甲酸法拉第效率下降为26.4%。
展开▼
