CN109972162A - 一种电化学制氧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型电化学制氧方法，以水和二氧化碳为反应原料，在阳极上电解产生O2的同时，CO2在阴极催化剂作用下发生电化学反应，生成液体有机物质，从而既生成了O2，又避免了电解水产生H2，实现了制氧和消除CO2一体化。所述方法避免了现有制氧方法中的碱液腐蚀、反应无法中止、H2安全隐患等问题，具有安全、可靠、可控、无污染等特点。

Description

一种电化学制氧方法
技术领域
本发明涉及一种电化学制氧方法，属于环境工程技术领域。
背景技术
氧气是生命之源，人体30秒不供氧，脑细胞就被破坏；3分钟终止供氧时，破坏的细胞无法再生。在高原低氧环境下或密闭空间内，一旦氧气缺乏将使生命体出现头痛、头昏、心慌、恶心呕吐、胸闷、疲乏无力等症状，影响正常工作，甚至导致死亡，形成非战斗减员；而且，缺氧条件下，武器装备的运转效率将大大降低，能耗急剧上升。特别在密闭环境中，人员和设备连续运转不断消耗氧气，产生二氧化碳，使工作和生活环境更加恶化。因此，高原地区和在密闭空间内，供氧和消除二氧化碳成为保障人员所必需。
目前，制氧技术主要有化学法、空气分离法和水电解法。化学法主要有碱金属超氧化物制氧技术、氯酸盐制氧技术和过碳酸盐制氧技术，超氧化钾制氧装置虽然结构比较紧凑，具有供氧和吸收二氧化碳双重功能，但存在低温启动缓慢、产氧速率和二氧化碳吸收速率难以控制、药剂存放和后处理困难等问题；氯酸盐制氧装置(俗称氧烛)虽然储氧量大且产氧速率快，但使用过程中产热量比较集中，容易给使用环境带来一定的热负荷，而且一旦启动无法自动停止，难以控制。空气分离法主要有深冷空分法、变压吸附法和膜分离法，这些技术均是通过氧气与氮气分离获得O2，不仅需要持续的空气来源，而且设备体积较大，能耗高，尤其不适合密闭空间内使用。电解水制氧技术是在电解槽中利用电流将水分解成O2和H2，主要包括碱性电解液电解水和固体聚合物电解水两种。前者设备体积较大，使用KOH或NaOH溶液为电解液，对设备具有强腐蚀性，而且从电解槽中溢出的H2和O2带有碱液，需要经过多次洗涤和过滤。后者是近年来发展的新兴技术，由于使用固体聚合物电解质(SPE，主要是全氟磺酸聚合物)代替碱液大大减少了装置体积，且产生的氧气更加纯净，但由于制氧同时还产生副产物H2，与O2混合容易发生爆炸，存在安全隐患；而且为防止H2泄露对装置的密封性要求非常高；再者，对于潜艇等水下作业的武器平台，H2的排放极易造成目标暴露，为此，在使用电解水制氧装置的同时，还需要配备专门的消氢装置以解决这些问题，带来了不必要的后勤负担。
可见，现有的制氧技术在推广使用中均存在不同的缺点，而通过自身的技术改进无法解决这些问题。因此，亟需研究一种安全、可靠、可控的制氧方法。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种常温条件下能够连续反应、进程可控、无二次污染、安全可靠的制氧方法。
本发明所采用的技术方案：电化学制氧方法以水和二氧化碳(CO2)为反应原料，在阳极上电解产生O2的同时，阴极附近聚集的H+和CO2在阴极催化剂作用下发生电化学反应，生成液体有机物质，从而既生成O2，又避免了电解水产生H2。具体方法步骤如下：
1.以KHCO3溶液为电解液，Pt箔为阳极，负载纳米Sn粒子催化剂的气体扩散电极(GDE)为阴极，阳极和阴极由Nafion117隔膜隔开，阴极和阳极外接直流电源，构成电解池。
2.在电解池阴极侧通入高纯99.9％CO20.5h，至溶液中CO2饱和后，接通直流电源，调整电压和电流密度，电解反应持续进行，在阳极极板上看到气泡产生，即为氧气；阴极无气泡产生，CO2在阴极催化剂的作用下生成了液态有机物。
本发明步骤1中KHCO3电解液浓度为0.5～2M。
本发明步骤1中阴极制备过程为：50～90mg纳米Sn粒子加入5～10ml异丙醇和100～200mgNafion溶液的混合液中形成悬浮液，待悬浮液均匀后涂覆到2×2cm2的GDE表面，放入真空干燥箱50～80℃干燥2h。
本发明步骤2中电流密度为50～200mA/cm2。
本发明的有益效果：电化学制氧方法以水和二氧化碳为反应原料，在阳极上电解产生O2的同时，CO2在阴极催化剂作用下发生电化学反应，生成液体有机物质，从而既生成了O2，又避免了电解水产生H2，实现了制氧和消除CO2一体化。所述方法避免了现有制氧方法中的碱液腐蚀、反应无法中止、H2安全隐患等问题，具有安全、可靠、可控、无污染等特点。
具体实施方式
实例1
电化学制氧方法步骤如下：
1.将50mg纳米Sn粒子加入5ml异丙醇和150mgNafion溶液的混合液中形成悬浮液，待悬浮液均匀后涂覆到2×2cm2的GDE表面，放入真空干燥箱70℃干燥2h，得到复合电极作为阴极。
2.裁剪2×2cm2的Pt箔作为阳极。
3.在H-型电解池连接处夹持Nafion117膜作为隔膜，向隔膜两侧的溶液池中各加入0.5M KHCO3溶液300ml，将阴极和阳极分别放入电解池的两个槽中，外部与直流电源连接，构成电解池。
4.用纯度为99.9％的CO2钢瓶气作为气源，通过四氟管通入电解池的阴极槽，流量为100ml/min。
5.打开电源，调节电压，使电解体系的电流密度为200mA/cm2，电解反应持续进行，在阳极极板上看到气泡产生，即为氧气；阴极无气泡产生，CO2在阴极催化剂的作用下生成了液态有机物。

Claims (4)

1.一种电化学制氧方法，其特征在于以水和二氧化碳为反应原料，在阳极上电解产生O2的同时，CO2在阴极催化剂的作用下发生电化学反应，生成液体有机物质；具体方法步骤如下：
(1)以KHCO3溶液为电解液，Pt箔为阳极，负载纳米Sn粒子催化剂的气体扩散电极(GDE)为阴极，阳极池和阴极池用Nafion117隔膜隔开，阴极和阳极外接直流电源，构成电解池。
(2)在电解池阴极侧通入99.9％CO20.5h，至溶液中CO2饱和后，接通直流电源，调整电压和电流密度，电解反应持续进行，在阳极极板上看到气泡产生，即为氧气；阴极无气泡产生，CO2在阴极催化剂的作用下生成了液态有机物。
2.根据权利要求1所述的电化学制氧方法，其特征在于步骤(1)中KHCO3电解液浓度为0.5～2M。
3.根据权利要求1所述的电化学制氧方法，其特征在于步骤(1)中阴极制备过程为：50～90mg纳米Sn粒子加入5～10ml异丙醇和100～200mgNafion溶液的混合液中形成悬浮液，待悬浮液均匀后涂覆到2×2cm2的GDE表面，放入真空干燥箱50～80℃干燥2h。
4.根据权利要求1所述的电化学制氧方法，其特征在于步骤(2)中电流密度为50～200mA/cm2。
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