本發(fā)明屬于電催化電解池，更具體地，涉及一種適用于高壓體系的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池。
背景技術(shù)：
1、近年來，化石燃料過度消耗引發(fā)的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，發(fā)展高效清潔能源轉(zhuǎn)化技術(shù)成為關(guān)鍵。電催化技術(shù)通過電能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)co2、h2o等原料向高附加值燃料(如乙酸、乙烯)的定向轉(zhuǎn)化，是解決能源與環(huán)境問題的有效途徑。相較于傳統(tǒng)電解質(zhì)反應(yīng)池，固態(tài)電解質(zhì)體系因能直接產(chǎn)生高純度液相產(chǎn)物，避免了后續(xù)分離純化步驟，顯著降低了生產(chǎn)成本而備受關(guān)注。研究表明加壓操作可有效提升反應(yīng)物傳質(zhì)速率、優(yōu)化催化劑表面吸附行為，特別在co2還原等涉及氣態(tài)原料的反應(yīng)中，加壓技術(shù)已被證實(shí)可使產(chǎn)率提升2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。但現(xiàn)有固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池局限于常壓體系運(yùn)行，其核心瓶頸在于高壓環(huán)境下固態(tài)電解質(zhì)易發(fā)生界面分層、氣體擴(kuò)散電極和離子交換膜易發(fā)生機(jī)械形變等問題，導(dǎo)致反應(yīng)體系失穩(wěn)，目前尚未報(bào)道能穩(wěn)定運(yùn)行0.5mpa以上壓力環(huán)境且保持長期氣-液-固三相界面穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池報(bào)道，該技術(shù)空白嚴(yán)重制約了高效電催化系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種適用于高壓體系的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池，旨在解決現(xiàn)有固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池?zé)o法在高壓體系下保持界面穩(wěn)定的問題。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種適用于高壓體系的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池，包括：氣室、固態(tài)電解質(zhì)室、陽極室、第一電極、陰離子交換膜、第一墊片、第二墊片、陽離子交換膜和第二電極；所述固態(tài)電解質(zhì)室位于氣室和陽極室之間，所述氣室和固態(tài)電解質(zhì)室之間依次設(shè)置第一電極、陰離子交換膜、第一墊片，固態(tài)電解質(zhì)室和陽極室之間依次放置第二墊片、陽離子交換膜、第二電極；所述氣室包括進(jìn)氣孔和出氣孔，從進(jìn)氣孔進(jìn)入的大部分氣體通過出氣孔直接排出氣室外，剩余氣體通過氣孔到達(dá)第一電極處參與催化反應(yīng)；固態(tài)電解質(zhì)室開有陰極液流入口和陰極液流出口；陽極室開有陽極液流入口和陽極液流出口；各個(gè)零部件接觸部分均設(shè)有密封圈槽，通過密封圈緊固形成封閉耐壓體系；
3、工作時(shí)，陰極液從陰極液流入口進(jìn)入，反應(yīng)氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入，通過氣孔到達(dá)第一電極，在第一電極表面處陰極催化劑的作用下與從固態(tài)電解質(zhì)室滲透過來的水發(fā)生還原反應(yīng)，生成的氣體產(chǎn)物隨著過量的反應(yīng)氣體從氣孔處排出，生成的陰離子產(chǎn)物透過陰離子交換膜進(jìn)入固態(tài)電解質(zhì)室；陽極液從陽極液流入口處進(jìn)入，在第二電極表面處在陽極催化劑的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的陽離子透過陽離子交換膜進(jìn)入固態(tài)電解質(zhì)室，生成的氣體產(chǎn)物隨著過量的陽極液從陽極液流出口處排出；所述陰離子和陽離子自發(fā)結(jié)合，生成目標(biāo)產(chǎn)物，隨著過量的陰極液從陰極液流出口排出。該反應(yīng)池的核心工作原理是通過外部電能驅(qū)動(dòng)電化學(xué)反應(yīng)，將水或二氧化碳等原料轉(zhuǎn)化為乙酸，乙醇，乙烯等化學(xué)燃料。
4、進(jìn)一步的，氣室中央分別開有1個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣口和出氣口，除此之外，沒有其他微流道結(jié)構(gòu)。
5、進(jìn)一步的，所述第一墊片和第二墊片為ptfe墊片。第一墊片和第二墊片根據(jù)高壓密封需要，厚度在100μm-1000μm的范圍之間。
6、進(jìn)一步的，所述密封圈槽包括連接氣室和固態(tài)電解質(zhì)室的氣室密封圈槽和固態(tài)電解質(zhì)室第一密封圈槽，連接固態(tài)電解質(zhì)室和陽極室的固態(tài)電解質(zhì)室第二密封圈槽和陽極室密封圈槽，反應(yīng)池整體通過螺絲螺栓緊固連接。
7、進(jìn)一步的，陰離子交換膜材質(zhì)包括fumapem?faa-3-50、sustainion?x37-50rt和sustainion?x37-fa中的一種或多種。
8、進(jìn)一步的，陽離子交換膜材質(zhì)包括nafion?115、nafion?117、nafion?n212和nafion?1110中的一種或多種。
9、進(jìn)一步的，陽極催化劑包括鈦氈、氧化銥、泡沫鎳和鐵鎳層狀雙金屬氫氧化物中的一種或多種；陰極催化劑包括各種可以生成多碳產(chǎn)物的銅基催化劑。
10、進(jìn)一步的，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，固態(tài)電解質(zhì)室厚度可調(diào)整，為1-5mm范圍內(nèi)。
11、進(jìn)一步的，固態(tài)電解質(zhì)室中央開有10*10mm的正方形空腔放置固態(tài)電解質(zhì)，材質(zhì)包括苯乙烯-二乙烯基苯共聚物、csxh3-xpw12o40、10wt％h3po4/聚乙烯吡咯烷酮凝膠中的一種或多種。
12、進(jìn)一步的，陰極液流入口和陰極液流出口與固態(tài)電解質(zhì)室空腔之間開有直徑為0.7mm的流道，用于陰極液的傳輸。
13、進(jìn)一步的，陽極室中央開有微流道，在不破壞陽極催化劑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上用于陽極液的傳輸，微通道包括蛇形微流道、直通型微流道、交指型微流道、螺旋微流道中一種或多種。
14、進(jìn)一步的，所述氣室與陽極室為不銹鋼、鈦合金或哈氏合金材質(zhì)，固態(tài)電解質(zhì)室為聚合物。
15、通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中高壓固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池，滿足了高壓體系下研究固態(tài)電解質(zhì)的電催化反應(yīng)微觀機(jī)理的實(shí)際需求，填補(bǔ)了高壓固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池的空白。其中，不銹鋼、鈦合金或哈氏合金材質(zhì)和密封圈的合理應(yīng)用滿足了反應(yīng)池的耐壓需求；通過增加密封圈槽，以及對(duì)氣室與陽極室微流道的取舍，可以改善氣體擴(kuò)散電解與離子交換膜機(jī)械損壞的難題，靈活調(diào)節(jié)固態(tài)電解質(zhì)室的厚度，以適應(yīng)不同種類的陰極液條件下電催化反應(yīng)的正常進(jìn)行，在不同壓力范圍內(nèi)均可以得到穩(wěn)定的高壓催化反應(yīng)。
1.一種適用于高壓體系的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池，其特征在于，包括：氣室(1)、固態(tài)電解質(zhì)室(2)、陽極室(3)、第一電極(4)、陰離子交換膜(5)、第一墊片(6)、第二墊片(7)、陽離子交換膜(8)、第二電極(9)；所述固態(tài)電解質(zhì)室(2)位于氣室(1)和陽極室(3)之間，所述氣室(1)和固態(tài)電解質(zhì)室(2)之間依次設(shè)置第一電極(4)、陰離子交換膜(5)、第一墊片(6)，固態(tài)電解質(zhì)室(2)和陽極室(3)之間依次放置第二墊片(7)、陽離子交換膜(8)、第二電極(9)；所述氣室(1)包括進(jìn)氣孔(1-1)和出氣孔(1-4)，從進(jìn)氣孔(1-1)進(jìn)入的大部分氣體通過出氣孔(1-4)直接排出氣室(1)，剩余氣體通過氣孔(1-2)到達(dá)第一電極(4)處參與催化反應(yīng)；固態(tài)電解質(zhì)室(2)開有陰極液流入口(2-1)和陰極液流出口(2-6)；陽極室(3)開有陽極液流入口(3-1)和陽極液流出口(3-4)；各個(gè)零部件接觸部分均設(shè)有密封圈槽，通過密封圈和螺栓緊固形成封閉耐壓體系；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高壓體系的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池，其特征在于，所述第一墊片(6)和第二墊片(7)為ptfe墊片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高壓體系的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池，其特征在于，所述密封圈槽包括連接氣室(1)和固態(tài)電解質(zhì)室(2)的氣室密封圈槽(1-3)和固態(tài)電解質(zhì)室第一密封圈槽(2-2)，連接固態(tài)電解質(zhì)室(2)和陽極室(3)的固態(tài)電解質(zhì)室第二密封圈槽(2-3)和陽極室密封圈槽(3-2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高壓體系的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池，其特征在于，所述陰離子交換膜(5)的材質(zhì)包括fumapem?faa-3-50、sustainion?x37-50rt和sustainion?x37-fa中的一種或多種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高壓體系的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池，其特征在于，所述陽離子交換膜(8)的材質(zhì)包括nafion?115、nafion?117、nafion?n212和nafion?1110中的一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高壓體系的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池，其特征在于，所述固態(tài)電解質(zhì)的材質(zhì)包括苯乙烯-二乙烯基苯共聚物、csxh3-xpw12o40、10wt％h3po4/聚乙烯吡咯烷酮凝膠中的一種或多種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高壓體系的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池，其特征在于，陽極催化劑的材質(zhì)包括鈦氈、氧化銥、泡沫鎳和鐵鎳層狀雙金屬氫氧化物中的一種或多種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高壓體系的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)池，其特征在于，所述氣室(1)與陽極室(3)為不銹鋼、鈦合金或哈氏合金，固態(tài)電解質(zhì)室(2)為聚合物。