基于錫負(fù)載氣體擴(kuò)散電極的CO2電化學(xué)還原實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、近年來，隨著化石燃料的大量消耗，CO2排放量不斷增加，由此產(chǎn)生的“溫室效應(yīng)”帶來的環(huán)境污染及氣候變化等問題已成為全世界關(guān)注的熱點(diǎn)，CO2減排已刻不容緩。采用電化學(xué)法還原 CO2不僅具有反應(yīng)速率快、可在常溫下進(jìn)行等優(yōu)勢，還可將可再生能源（如風(fēng)能、太陽能）間歇性的、不穩(wěn)定的電能輸出以燃料的形式儲(chǔ)存，因而受到了研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。CO2電化學(xué)還原可將 CO2減排及儲(chǔ)能二者相結(jié)合，其產(chǎn)物主要有甲酸、甲醇、CO、甲烷、H2等，甲酸是一種用途非常廣

2、泛的有機(jī)原料，因此，將 CO2通過電化學(xué)還原技術(shù)轉(zhuǎn)化為甲酸，是一種很有前景的CO2減排及儲(chǔ)能方式。
　　在目前CO2電化學(xué)還原的研究中，主要存在的問題是電極 CO2的轉(zhuǎn)化效率較低，產(chǎn)物選擇性差，并且常伴有析氫反應(yīng)的發(fā)生，這大大降低了 CO2的利用率和電流效率。因此如何對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增大電流利用率,抑制副反應(yīng)的發(fā)生，提高CO2向目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的選擇性成為電化學(xué)還原CO2的關(guān)鍵問題。本文首先通過改進(jìn)制備工藝對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到

3、催化性能良好的Sn負(fù)載氣體擴(kuò)散電極；在傳統(tǒng)電解池中進(jìn)行反應(yīng)，考察了反應(yīng)過程中電解液的種類、濃度、pH等對(duì)電極CO2電化學(xué)還原性能的影響；并構(gòu)建了 CO2電化學(xué)還原單通道反應(yīng)器，研究了流速、反應(yīng)器放置方式、電極排列對(duì) CO2電化學(xué)還原性能的影響。本文獲得的主要結(jié)論如下：
　?。?）采用較小粒徑催化劑和具有整平層的電極電化學(xué)還原性能較好。隨著整平層碳載量的增加，反應(yīng)電流、甲酸產(chǎn)量和電流效率均先上升后下降，整平層載量為0.8 mg/cm

4、2時(shí)電極性能最佳。隨著催化層中Nafion含量的增加，反應(yīng)電流、甲酸產(chǎn)量和電流效率先上升后下降，Nafion含量為25％時(shí)電極性能最佳。隨著催化層中PTFE含量的增加，反應(yīng)電流下降，甲酸產(chǎn)量和電流效率先上升后下降，PTFE含量為1%時(shí)電極性能最佳，但低于Nafion含量為25%時(shí)的電極性能，主要原因在于采用Nafion作為粘結(jié)劑時(shí)還原峰電位較正、傳荷阻力較低。
　?。?）采用KHCO3溶液作為反應(yīng)電解液更有利于CO2電化學(xué)還原的進(jìn)

5、行。隨著電解液濃度的增加，反應(yīng)電流持續(xù)上升，而甲酸產(chǎn)量和電流效率則先上升后下降。隨著電解液pH的提高，反應(yīng)電流持續(xù)降低，甲酸產(chǎn)量和電流效率先上升后下降。電解液濃度0.5 mol/L、pH為7時(shí)CO2電化學(xué)還原性能最佳。隨著電解電位的增加，反應(yīng)電流和甲酸產(chǎn)量持續(xù)上升，而電流效率則先上升后下降。隨著 CO2流量的提高，反應(yīng)電流先降低后趨于穩(wěn)定，甲酸產(chǎn)量和電流效率均先上升后趨于穩(wěn)定。采用-1.6V vs.Ag/AgCl的電解電位、10 SCC

6、M的CO2流量更有利于CO2電化學(xué)還原反應(yīng)的進(jìn)行。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，甲酸累計(jì)濃度先穩(wěn)定上升后增長緩慢最終趨于恒定，120 min后電極已基本失去催化活性。
　?。?）隨著電解電位的增加，單通道反應(yīng)器的反應(yīng)電流、甲酸產(chǎn)量和電流效率先上升后下降，但均高于同等電位下電解池中的各項(xiàng)指標(biāo)。隨著電解液流量的增加，反應(yīng)電流持續(xù)上升，甲酸產(chǎn)量和電流效率則先上升后下降。隨著CO2流量的提高，反應(yīng)電流和甲酸產(chǎn)量持續(xù)降低，而電流效率則先上升后趨于穩(wěn)定。對(duì)