CN114921799A - 单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的方法及其装置。该装置包括电化学反应器和循环进料装置，电化学反应器包括阴极室、阴极、质子交换膜、阳极以及阳极室，循环进料装置包括循环缓冲罐以及输送设备；阴极为碳基单原子整体电极，阳极为泡沫钛基单原子整体电极。本发明利用电化学还原技术在多孔碳基单原子整体阴极处将氧气高效还原为过氧化氢，原位生成的过氧化氢高效转化氯酸根为二氧化氯，利用电化学氧化技术在泡沫钛基单原子整体阳极处将亚氯酸根高效转化为二氧化氯，随后二氧化氯随阴阳极室底部鼓入空气流出。本发明装置和方法不仅能耗低，而且电极活性和选择性高，无二次污染，适合工业化推广。
Description
技术领域
本发明属于消毒试剂制备技术领域，尤其是涉及一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的方法及其装置。
背景技术
二氧化氯目前已被世界卫生组织和世界粮农组织视为A1级广谱、高效和安全的消毒试剂。近年来，为防控新型冠状肺炎在世界范围的传播，人类社会对二氧化氯这一消毒试剂的市场需求激增。然而二氧化氯化学性质活泼，不易储存与运输，二氧化氯消毒试剂的使用非常依赖就地制备。
当下，工业上最普遍的二氧化氯制备工艺是化学法。该工艺通过高浓度盐酸与氯酸钠反应制备二氧化氯。但在高浓度盐酸的储存和运输过程中存在巨大安全风险，并且盐酸的使用对二氧化氯发生器的抗腐蚀性有较高的要求。另外，该工艺会产生大量氯气，后续需要对二氧化氯进一步分离提纯，这会大大增加工艺成本。此外，通过阳极或阴极电化学氧化或还原氯酸钠或亚氯酸钠制备二氧化氯的电解法凭借着更加安全、高效的优势成为了目前极具发展前景的二氧化氯制备工艺。但目前该工艺仍存在电极成本高昂、产物不纯等缺点。另外，目前市面上基于电解法的二氧化氯发生器仅利用阴极或阳极反应合成二氧化氯，电子利用效率低。因此，亟需开发廉价、安全、高效且能够阴阳极同时制备高纯二氧化氯的新型二氧化氯发生器。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的方法及其装置，旨在实现阴阳极同时高效产生高纯二氧化氯消毒试剂。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明第一方面提供一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置，包括电化学反应器、循环进料装置，所述电化学反应器包括阴极室、阴极、质子交换膜、阳极以及阳极室，
所述质子交换膜设于阳极和阴极之间；并将阴极室、阴极、质子交换膜、阳极以及阳极室多层材料夹紧，同时阴极和阳极通过导线分别连接电源的负极和正极；
所述循环进料装置包括阴极循环缓冲罐、阳极循环缓冲罐以及输送设备；
所述阴极室与阴极循环缓冲罐通过输送管道连接，含氯酸钠的电解液在阴极室与阴极循环缓冲罐之间循环使用；所述阳极室与阳极循环缓冲罐通过输送管道连接，含亚氯酸钠的电解液在阳极室与阳极循环缓冲罐之间循环使用；所述输送设备设置在输送管道上；
所述阴极为负载单原子的多孔碳整体电极，所述阳极为负载单原子的多孔泡沫钛整体电极，能够同时高效转化氯酸根和亚氯酸根为二氧化氯。
因此，可以理解的，本发明的技术方案，由于阴极采用多孔碳基单原子整体电极，能够高效、高选择性转化电解液中氧气为过氧化氢，阴极原位生成的过氧化氢进一步转化氯酸根为二氧化氯，二氧化氯随阴极室底部泵入空气排出，由于阳极采用泡沫钛基单原子整体电极，能够高效、高选择性转化亚氯酸根为二氧化氯，二氧化氯随阳极室底部泵入空气排出，在持续电解过程中，阴阳极同时产生高纯二氧化氯气体。
故，本发明一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置能够在阴极高效还原氧气为过氧化氢，进而高效转化氯酸根为二氧化氯，在阳极高效氧化亚氯酸根为二氧化氯，从而实现阴阳极同时产生高纯二氧化氯气体。并且多孔碳基金属单原子整体电极和泡沫钛基金属单原子整体电极的活性较高，稳定性较好，有助于阴极处氧气转化为过氧化氢以及阳极处亚氯酸根转化为二氧化氯选择性的提高。
在本发明的一个实施方式中，所述阴极以整体多孔碳为基底，利用喷涂、热解等步骤在多孔碳表面形成过渡金属单原子活性物质；所述阳极以整体多孔泡沫钛为基底，利用喷涂、热解等步骤在泡沫钛表面形成过渡金属单原子活性物质。
在本发明的一个实施方式中，所述过渡金属单原子活性物质为锰、铁、钴、镍、铜、钼、钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金单原子的至少一种。利用过渡金属单原子活性物质，阴极实现氧气选择性还原为过氧化氢，阳极实现亚氯酸根选择性氧化为二氧化氯，在使用时可选用其中的一种或多种组合。
在本发明的一个实施方式中，所述泡沫钛和多孔碳均含有用于气体扩散的孔洞，所述孔洞的孔径范围为50-100微米。
在本发明的一个实施方式中，所述阴极以及阳极上活性物质的负载量范围为0.01％-20％。比如活性物质的负载量为0.01％、0.1％、1％、5％、10％或20％。优选地，负载量为0.1％-1％，比如为0.1％、0.2％、0.4％、0.8％或1％。
在本发明的一个实施方式中，单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置中，阳极电解液为亚氯酸钠电解液，阴极电解液为氯酸钠电解液。
在本发明的一个实施方式中，阴极电解液中氯酸钠浓度范围为0.1mol/L-5mol/L。优选地，浓度为0.5-2.5mol/L，比如为0.5、1、1.5、2、2.5mol/L。
在本发明的一个实施方式中，阳极电解液中亚氯酸钠浓度范围为0.1mol/L-5mol/L。优选地，浓度为0.5-2.5mol/L，比如为0.5、1、1.5、2、2.5mol/L。
在本发明的一个实施方式中，所述输送设备为风机或气泵、水泵。
本发明第二方面，提供单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的方法，基于本发明第一方面所述单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置来实施，用于持续制备高纯二氧化氯气体，包括以下步骤：
含有亚氯酸钠的电解液通入阳极室内，以一定流速从阳极底部流经阳极，最后从阳极室上端排出，含有氯酸钠的电解液通入阴极室内，以一定流速从阴极底部流经阴极，最后从阴极室上端排出；阴极与阳极底部泵入空气，在此过程中，阴极和阳极间施加电压，在阳极表面将电解液中亚氯酸钠选择性转化为二氧化氯，在阴极表面将电解液中溶解的氧气原位还原为过氧化氢，原位生成的过氧化氢进一步将氯酸钠选择性转化为二氧化氯，随后阴极和阳极产生的二氧化氯随阴极和阳极底部泵入的空气流出。
在本发明的一个实施方式中，在所述阳极和所述阴极之间施加0.5V-36V的恒定电压或者0.1-50A的恒定电流，控制空气流速范围为0.001m/s-10m/s，电解液流速范围为1mL/min-500mL/min。
这里电压范围优选2V-5V，比如施加的电压为2V、3V、4V或5V。通过调节电压实现阴极处氧气到过氧化氢以及阳极处亚氯酸根到二氧化氯的高效、高选择性转化。
这里电流范围优选1A-5A，比如施加的电流为1A、2A、3A、4A或5A。通过调节电流实现阴极处氧气到过氧化氢以及阳极处亚氯酸根到二氧化氯的高效、高选择性转化。
这里空气的流速范围优选1-5m/s，比如采用的流速为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s或5m/s。通过调节阴阳极底部泵入空气的流速使阴阳极电解液中绝大多数二氧化氯得以利用。
这里电解液的流速范围优选50-250mL/min，比如采用的流速为50mL/min、100mL/min、150mL/min、200mL/min或250mL/min。通过调节电解液流速使电化学反应器中阴极处氧气到过氧化氢以及阳极处亚氯酸根到二氧化氯的转化速率得以提高。
本发明提供的装置和方法，所述电化学反应器配合循环进料装置，实现阴阳极同时电解产生高纯度二氧化氯持续；所述阳极室和阴极室均为绝缘材料构成，与电极和质子交换膜紧密贴合，确保装置密封效果无泄漏；设置自动进液和进气系统，所述自动进液和进气系统由增压控制器和流量控制器构成，稳定控制电解液循环和二氧化氯气体排出的流速。
在本发明的一个实施方式中，制备的二氧化氯气体可以作为二氧化氯消毒试剂，用在杀毒杀菌、环境保护等领域。
与现有技术相比，本发明的技术方案，由于阳极采用负载金属单原子的泡沫钛基整体电极，能够在阳极处将次氯酸根选择性氧化为二氧化氯，由于阴极采用负载金属单原子的多孔碳基整体电极，能够在阴极处将电解液中的氧气还原为过氧化氢，阴极原位生成的过氧化氢将氯酸根选择性转化为二氧化氯，随后高纯二氧化氯随阴阳极底部泵入的空气持续流出，实现阴阳极同时高效产生二氧化氯气体。故，本发明一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置能够实现阴阳极侧氯酸根和亚氯酸根到二氧化氯的选择性转化，同时产生高纯二氧化氯。并且泡沫钛基金属单原子整体电极和多孔碳基金属单原子整体电极的活性较高，稳定性较好，有助于亚氯酸根转化为二氧化氯以及氧气转化为过氧化氢选择性的提高。
本发明提供的装置，利用电化学还原技术在多孔碳基单原子整体阴极处将氧气高效还原为过氧化氢，原位生成的过氧化氢高效转化氯酸根为二氧化氯，利用电化学氧化技术在泡沫钛基单原子整体阳极处将亚氯酸根高效转化为二氧化氯，随后二氧化氯随阴阳极室底部鼓入空气流出。
本发明能有效降低二氧化氯消毒试剂制备的能耗，而且阴阳极电极性能高，可高效、高选择性转化氧气为过氧化氢，进而将氯酸根转化为二氧化氯，以及高效、高选择性转化亚氯酸根为二氧化氯，实现阴阳极同时高效产生二氧化氯气体，无二次污染，这对于当今杀毒杀菌、环境保护具有重要的意义，也具有重大的市场应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置的结构示意图。
图2为多孔碳基铂单原子整体电极实物图。
图3为多孔碳基铂单原子整体电极AC-TEM图像。
图4为泡沫钛基钌单原子整体电极实物图。
图5为泡沫钛基钌单原子整体电极AC-TEM图像。
图6为多孔碳基铂单原子整体阴极电化学还原氧气产生过氧化氢选择性图。
图7为泡沫钛基钌单原子整体阳极电解亚氯酸根产生二氧化氯选择性图。
图8为装置阳极转化亚氯酸根制备二氧化氯浓度变化图。
图9为装置阴极转化氯酸根制备二氧化氯浓度变化图。
图1中标号所示，1、阴极循环缓冲罐，2、阴极室，3、阴极，4、质子交换膜，5、阳极，6、阳极室，7、阳极循环缓冲罐，8、输送设备。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明第一方面提供了一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置，实现阴阳极同时制备高纯二氧化氯消毒试剂。
请参阅图1，本发明第一方面提供一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置，包括电化学反应器、循环进料装置，所述电化学反应器包括阴极室2、阴极3、质子交换膜4、阳极5以及阳极室6，
所述质子交换膜4设于阳极3和阴极5之间；并将阴极室2、阴极3、质子交换膜4、阳极5以及阳极室6多层材料夹紧，同时阴极3和阳极5通过导线分别连接电源的负极和正极；
所述循环进料装置包括阴极循环缓冲罐1、阳极循环缓冲罐7以及输送设备8；
所述阴极室2与阴极循环缓冲罐1通过输送管道连接，含氯酸钠的电解液在阴极室2与阴极循环缓冲罐1之间循环使用；所述阳极室6与阳极循环缓冲罐7通过输送管道连接，含亚氯酸钠的电解液在阳极室6与阳极循环缓冲罐7之间循环使用；所述输送设备8设置在输送管道上；
所述阴极3为负载单原子的多孔碳整体电极，所述阳极5为负载单原子的多孔泡沫钛整体电极，能够同时高效转化氯酸根和亚氯酸根为二氧化氯。
因此，可以理解的，本发明的技术方案，由于阴极3采用多孔碳基单原子整体电极，能够高效、高选择性转化电解液中氧气为过氧化氢，阴极原位生成的过氧化氢进一步转化氯酸根为二氧化氯，二氧化氯随阴极室2底部泵入空气排出，由于阳极5采用泡沫钛基单原子整体电极，能够高效、高选择性转化亚氯酸根为二氧化氯，二氧化氯随阳极室6底部泵入空气排出，在持续电解过程中，阴阳极同时产生高纯二氧化氯气体。
故，本发明一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置能够在阴极高效还原氧气为过氧化氢，进而高效转化氯酸根为二氧化氯，在阳极高效氧化亚氯酸根为二氧化氯，从而实现阴阳极同时产生高纯二氧化氯气体。并且多孔碳基金属单原子整体电极和泡沫钛基金属单原子整体电极的活性较高，稳定性较好，有助于阴极处氧气转化为过氧化氢以及阳极处亚氯酸根转化为二氧化氯选择性的提高。
在本发明的一个实施方式中，所述阴极3以整体多孔碳为基底，利用喷涂、热解等步骤在多孔碳表面形成过渡金属单原子活性物质；所述阳极5以整体多孔泡沫钛为基底，利用喷涂、热解等步骤在泡沫钛表面形成过渡金属单原子活性物质。
在本发明的一个实施方式中，所述过渡金属单原子活性物质为锰、铁、钴、镍、铜、钼、钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金单原子的至少一种。利用过渡金属单原子活性物质，阴极实现氧气选择性还原为过氧化氢，阳极实现亚氯酸根选择性氧化为二氧化氯，在使用时可选用其中的一种或多种组合。
在本发明的一个实施方式中，所述泡沫钛和多孔碳均含有用于气体扩散的孔洞，所述孔洞的孔径范围为50-100微米。
在本发明的一个实施方式中，所述阴极3以及阳极5上活性物质的负载量范围为0.01％-20％。比如活性物质的负载量为0.01％、0.1％、1％、5％、10％或20％。优选地，负载量为0.1％-1％，比如为0.1％、0.2％、0.4％、0.8％或1％。
在本发明的一个实施方式中，单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置中，阳极电解液为亚氯酸钠电解液，阴极电解液为氯酸钠电解液。
在本发明的一个实施方式中，阴极电解液中氯酸钠浓度范围为0.1mol/L-5mol/L。优选地，浓度为0.5-2.5mol/L，比如为0.5、1、1.5、2、2.5mol/L。
在本发明的一个实施方式中，阳极电解液中亚氯酸钠浓度范围为0.1mol/L-5mol/L。优选地，浓度为0.5-2.5mol/L，比如为0.5、1、1.5、2、2.5mol/L。
在本发明的一个实施方式中，所述输送设备8为风机或气泵、水泵。
本发明第二方面，提供单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的方法，基于本发明第一方面所述单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置来实施，用于持续制备高纯二氧化氯气体，包括以下步骤：
含有亚氯酸钠的电解液通入阳极室内，以一定流速从阳极底部流经阳极，最后从阳极室上端排出，含有氯酸钠的电解液通入阴极室内，以一定流速从阴极底部流经阴极，最后从阴极室上端排出；阴极与阳极底部泵入空气，在此过程中，阴极和阳极间施加电压，在阳极表面将电解液中亚氯酸钠选择性转化为二氧化氯，在阴极表面将电解液中溶解的氧气原位还原为过氧化氢，原位生成的过氧化氢进一步将氯酸钠选择性转化为二氧化氯，随后阴极和阳极产生的二氧化氯随阴极和阳极底部泵入的空气流出。
在本发明的一个实施方式中，在所述阳极和所述阴极之间施加0.5V-36V的恒定电压或者0.1-50A的恒定电流，控制空气流速范围为0.001m/s-10m/s，电解液流速范围为1mL/min-500mL/min。
这里电压范围优选2V-5V，比如施加的电压为2V、3V、4V或5V。通过调节电压实现阴极处氧气到过氧化氢以及阳极处亚氯酸根到二氧化氯的高效、高选择性转化。
这里电流范围优选1A-5A，比如施加的电流为1A、2A、3A、4A或5A。通过调节电流实现阴极处氧气到过氧化氢以及阳极处亚氯酸根到二氧化氯的高效、高选择性转化。
这里空气的流速范围优选1-5m/s，比如采用的流速为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s或5m/s。通过调节阴阳极底部泵入空气的流速使阴阳极电解液中绝大多数二氧化氯得以利用。
这里电解液的流速范围优选50-250mL/min，比如采用的流速为50mL/min、100mL/min、150mL/min、200mL/min或250mL/min。通过调节电解液流速使电化学反应器中阴极处氧气到过氧化氢以及阳极处亚氯酸根到二氧化氯的转化速率得以提高。
本发明提供的装置和方法，所述电化学反应器配合循环进料装置，实现阴阳极同时电解产生高纯度二氧化氯持续；所述阳极室和阴极室均为绝缘材料构成，与电极和质子交换膜紧密贴合，确保装置密封效果无泄漏；设置自动进液和进气系统，所述自动进液和进气系统由增压控制器和流量控制器构成，稳定控制电解液循环和二氧化氯气体排出的流速。
在本发明的一个实施方式中，制备的二氧化氯气体可以作为二氧化氯消毒试剂，用在杀毒杀菌、环境保护等领域。
以下通过具体实施例对本发明阴阳极同时高效产生二氧化氯消毒试剂的方法及其装置进行详细说明。
实施例1：
采用图1的装置。
(1)阴极3以及阳极5的制备：将50mg氯铂酸溶解在5mL乙醇中，然后将氯铂酸乙醇溶液喷涂到2cm(长)*2cm(宽)*1cm(厚)的多孔碳表面，最后在H2/Ar气氛下，600℃下煅烧得到多孔碳基铂单原子整体阴极3。铂单原子阴极3的实物图和AC-TEM图像参见图2和图3。将50mg氯化钌溶解在5mL乙醇中，然后将氯化钌乙醇溶液喷涂到2cm(长)*2cm(宽)*1cm(厚)的多孔泡沫钛表面，最后在H2/Ar气氛下，450℃下煅烧得到泡沫钛基钌单原子整体阳极5。钌单原子阳极5的实物图和AC-TEM图像参见图4和图5。
(2)阴阳极同时产生高纯二氧化氯装置的组装：将步骤(1)制备的多孔碳基单原子电极作为阴极3，将步骤(1)制备的泡沫钛基单原子电极作为阳极5，随后将阴极室2、阴极3、质子交换膜4、阳极5以及阳极室6夹紧，同时将阴极3和阳极5通过导线分别连接电源的负极和正极，便可得到电化学反应器。用管道将阴极循环缓冲罐1和阳极循环缓冲罐7分别与电化学反应器的阴极室2和阳极室6连接。
(3)利用步骤(2)阴阳极同时产生高纯二氧化氯装置制备二氧化氯消毒试剂的方法，包括以下步骤：通过水泵8将含有氯酸钠的电解液通入阴极循环缓冲罐1，将阴极循环缓冲罐1中硫酸电解液通入阳极室2，硫酸的浓度为0.5mol/L，流量控制在200mL/min。通过输送设备8(水泵)将含有亚氯酸钠的电解液通入阳极循环缓冲罐7，将阳极循环缓冲罐7中亚氯酸钠电解液通入阳极室6，亚氯酸钠的浓度为2mol/L，流量控制在200mL/min。在阴阳极室底部持续泵入空气，气体流速控制在2m/s。然后在阴极3和阳极5间施加1A的恒定电流并持续电解10小时，并检测阴极电解液中过氧化氢的浓度以及阳极电解液中二氧化氯的浓度，计算过氧化氢和二氧化氯的选择性，过氧化氢和二氧化氯选择性参见图6和7。
由图6和图7可知，在1A的恒定电流下持续电解10小时，阴极选择性还原氧气到过氧化氢以及阳极选择性氧化亚氯酸根到二氧化氯的法拉第效率接近100％。阳极除了二氧化氯产物外，几乎没有检测到其他氧化副产物。阴极除了过氧化氢，几乎没有检测到其他还原副产物，阴极充足的过氧化氢可以保障氯酸钠到二氧化氯的高效转化。
实施例2：
阴阳极同时产生高纯二氧化氯装置稳定性：采用实施例1组装的二氧化氯发生装置，控制阴阳极电解液中氯酸钠和亚氯酸钠的浓度为2mol/L，流量为200mL/min。在阴阳极室底部持续泵入空气，气体流速控制在2m/s。在阴极3和阳极5间施加1A的恒定电流，在1A的恒定电流下持续电解100小时，并检测阴阳极室气体出口二氧化氯的浓度变化，持续电解过程中阴阳极气体出口二氧化氯浓度变化参见图8和图9。
由图8和图9可知，在持续100h电解过程中，阴极室产生二氧化氯的浓度均保持在10g/h左右，阳极室产生二氧化氯的浓度均保持在15g/h左右。本发明中二氧化氯发生装置可以实现阴阳极同时产生高浓度二氧化氯。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置，其特征在于，包括电化学反应器、循环进料装置，所述电化学反应器包括阴极室(2)、阴极(3)、质子交换膜(4)、阳极(5)以及阳极室(6)，
所述质子交换膜(4)设于阳极(3)和阴极(5)之间；并将阴极室(2)、阴极(3)、质子交换膜(4)、阳极(5)以及阳极室(6)多层材料夹紧，同时阴极(3)和阳极(5)通过导线分别连接电源的负极和正极；
所述循环进料装置包括阴极循环缓冲罐(1)、阳极循环缓冲罐(7)以及输送设备(8)；
所述阴极室(2)与阴极循环缓冲罐(1)通过输送管道连接，含氯酸钠的电解液在阴极室(2)与阴极循环缓冲罐(1)之间循环使用；所述阳极室(6)与阳极循环缓冲罐(7)通过输送管道连接，含亚氯酸钠的电解液在阳极室(6)与阳极循环缓冲罐(7)之间循环使用；所述输送设备(8)设置在输送管道上；
所述阴极(3)为负载单原子的多孔碳整体电极，所述阳极(5)为负载单原子的多孔泡沫钛整体电极，能够同时转化氯酸根和亚氯酸根为二氧化氯。
2.根据权利要求1所述的一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置，其特征在于，所述阴极(3)以整体多孔碳为基底，在多孔碳表面形成过渡金属单原子活性物质；所述阳极(5)以整体多孔泡沫钛为基底，在泡沫钛表面形成过渡金属单原子活性物质。
3.根据权利要求2所述的一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置，其特征在于，所述过渡金属单原子活性物质为锰、铁、钴、镍、铜、钼、钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金单原子的至少一种。
4.根据权利要求2所述的一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置，其特征在于，所述泡沫钛和多孔碳均含有用于气体扩散的孔洞，所述孔洞的孔径范围为50-100微米。
5.根据权利要求2所述的一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置，其特征在于，所述阴极(3)以及阳极(5)上活性物质的负载量范围为0.01％-20％。
6.根据权利要求1所述的一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置，其特征在于，单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置中，阳极电解液为亚氯酸钠电解液，阴极电解液为氯酸钠电解液。
7.根据权利要求6所述的一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置，其特征在于，阴极电解液中氯酸钠浓度范围为0.1mol/L-5mol/L；阳极电解液中亚氯酸钠浓度范围为0.1mol/L-5mol/L。
8.一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的方法，其特征在于，基于权利要求1-7中任一项所述单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的装置来实施，用于持续制备高纯二氧化氯气体，包括以下步骤：
含有亚氯酸钠的电解液通入阳极室内，从阳极底部流经阳极，最后从阳极室上端排出，含有氯酸钠的电解液通入阴极室内，从阴极底部流经阴极，最后从阴极室上端排出；阴极与阳极底部泵入空气，在此过程中，阴极和阳极间施加电压，在阳极表面将电解液中亚氯酸钠选择性转化为二氧化氯，在阴极表面将电解液中溶解的氧气原位还原为过氧化氢，原位生成的过氧化氢进一步将氯酸钠选择性转化为二氧化氯，随后阴极和阳极产生的二氧化氯随阴极和阳极底部泵入的空气流出。
9.根据权利要求8所述一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的方法，其特征在于，在所述阳极和所述阴极之间施加0.5V-36V的恒定电压或者0.1-50A的恒定电流，控制空气流速范围为0.001m/s-10m/s，电解液流速范围为1mL/min-500mL/min。
10.根据权利要求9所述一种单原子阴阳极同时合成高纯二氧化氯气体的方法，其特征在于，电压范围为2V-5V，电流范围为1A-5A；空气的流速范围为1-5m/s，电解液的流速范围为50-250mL/min。
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