CN214937851U - 电催化乙炔加氢反应系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电催化乙炔加氢反应系统，包括乙炔气室和电化学装置，所述电化学装置的工作电极分隔所述乙炔气室和所述电化学装置，以形成所述乙炔气室和所述电化学装置共用的分隔壁；所述乙炔气室具有进气口和出气口，所述进气口用于向所述乙炔气室内通入能够在所述工作电极进行乙炔电化学加氢反应的含乙炔的气体，反应生成的乙炔加氢产物气体能够由所述出气口导出所述乙炔气室。根据本实用新型的系统，能够在低温下高活性、高选择性地将乙炔电催化转化为乙烯，并有望替代现有热催化乙炔加氢化工过程，促进聚乙烯工业生产的绿色可持续发展。
Description
技术领域
本实用新型涉及催化加氢反应领域，具体涉及一种电催化乙炔加氢反应系统。
背景技术
乙烯(C2H4)的工业生产依赖于石脑油或饱和碳2-碳6烃的热解。然而，在热解衍生的乙烯产物物流中会残留0.5-2.0％(体积分数)的乙炔(C2H2)。该杂质会严重毒化后续用于聚乙烯合成的齐格勒-纳塔催化剂(A.Borodziński,G.C.Bond,Catal.Rev.48,91-144(2006))，导致生产成本升高、产品质量下降。因此，如何有效地从富含乙烯的气流中选择性地去除乙炔，使乙烯纯度达到聚合物生产级别，具有重要的现实意义。经过近百年的研究，相继发展出了溶剂吸收及催化加氢等技术路线。
自1950年代以来，将C2H2选择性催化加氢为C2H4的方法已成为脱除乙炔的更有效方法(T.Kenzi,Bull.Chem.Soc.Japan 23,180-184(1950))。商用钯基催化剂在200℃下，以氢气为质子源，可实现大于90％的C2H2转化率和85％的乙烯选择性(M.Armbruster et al.,Nat.Mater.11,690-693(2012))，C2H2在钯基催化剂上的氢化反应机理也得到了系统地研究。现有很多研究期望开发良好的用于乙炔选择性加氢的催化剂，例如CN102247876A，其研究了一种用于乙炔选择性加氢的磷化钼催化剂，使得在常压以及200-240℃下能够以高的乙炔转化率实现乙炔的选择性催化加氢。近年来，更多注意力转移到了如何进一步降低催化反应的温度(Q.Feng et al.,J.Am.Chem.Soc.139,7294-7301(2017)；S.Zhou et al.,Adv.Mater.31,e1900509(2019)；Q.Feng et al.,Adv.Mater.31,e1901024(2019))。CN108147938公开了一种常压下乙炔选择性氢化到乙烯的方法，其采用特定的PdxM/SiO2型催化剂，可以实现在50-300℃下乙炔的选择性加氢。然而，在更低温度(例如室温)条件下实现C2H2的高转化率、高选择性氢化制C2H4，仍面临巨大挑战。
此外，目前开发的实验室和工业规模的C2H2加氢反应系统都需要在反应过程中引入过量的氢气以促进C2H2的加氢转化。但是这种方法会不可避免地导致C2H4过度加氢生成乙烷(C2H6)，造成大量C2H4原料的浪费，增加了经济成本(A.Sárkány,A.Horváth,A.Beck,Appl.Catal.A-Gen.229,117-125(2002))。以50万吨/年乙烯生产线为例：根据乙烯市场价格7000元/吨，年产值约35亿；热催化加氢通常会造成2-3％的乙烯损耗(过度加氢至乙烷)，因此带来约1亿元损失。若采用最先进的进口催化剂(CLARIANT
260)可将损耗降至接近0％，但催化剂成本高。因此，无论从能量和原子利用的角度来看，都有必要创新乙炔加氢反应系统及方法，以在低温下实现乙炔向乙烯的高效转化。
电催化策略能够以水分子为氢源，在无需氢气输入的低温条件下将乙炔加氢还原为乙烯。理论上，每消除1吨乙烯原料气中的乙炔杂质，需工业用电费用约7元，仅占乙烯市场价格的千分之一，说明该策略具备大规模应用的成本优势。然而，由于现有电催化系统的局限性，如富乙烯气氛中乙炔气体的传质问题、反应分子/离子在催化界面的接触问题、电催化全反应系统的搭建问题等等，现有电催化C2H2加氢(EAR)反应系统的转化率和产物选择性与热催化工艺相比仍有巨大差距。迄今为止，电催化乙炔加氢反应系统及方法还存在诸多研究空白。
基于以上现有技术，本发明人期望构建一种基于气体扩散电极的EAR系统，以在富含乙烯的物流中将乙炔有效转化为乙烯。
实用新型内容
为提升乙炔反应分子在催化剂表面的浓度与扩散速率，实现低温条件下乙炔到乙烯的高活性、高选择性电催化转化，本实用新型提供了一种电催化乙炔加氢反应系统。
本实用新型的目的在于提供一种电催化乙炔加氢反应系统，所述系统包括乙炔气室和电化学装置，所述电化学装置的工作电极用于分隔所述乙炔气室和所述电化学装置，以形成所述乙炔气室和所述电化学装置共用的分隔壁；所述乙炔气室具有进气口和出气口，所述进气口用于向所述乙炔气室内通入能够在所述工作电极进行乙炔电化学加氢反应的含乙炔的气体，反应生成的乙炔加氢产物气体能够由所述出气口导出所述乙炔气室。
根据本实用新型，所述电化学装置的工作电极为气体扩散电极，所述电化学装置还包括电解室、电源以及设于所述电解室内以将所述电解室分隔成阴极电解室和阳极电解室的离子交换膜，所述阴极电解室与所述乙炔气室邻接并由所述气体扩散电极分隔；所述阳极电解室设有对电极，所述气体扩散电极连接所述电源的负极，所述对电极连接所述电源的正极。
根据本实用新型，所述阴极电解室的第一侧壁上具有与所述阴极电解室内连通的第一开口，所述阳极电解室的第二侧壁上具有与所述阳极电解室内连通的第二开口；所述阴极电解室的所述第一侧壁与所述阳极电解室的所述第二侧壁贴合，且所述第一开口与所述第二开口密封对接，并将所述离子交换膜夹持于所述第一开口和所述第二开口处。
根据本实用新型，所述乙炔气室的气室壁上设有第三开口，所述阴极电解室的与所述第一侧壁相对的第三侧壁上设有第四开口，所述气室壁与所述第三侧壁贴合，且所述第三开口与所述第四开口密封对接，并将所述气体扩散电极夹持于所述第三开口和所述第四开口处，以分隔所述乙炔气室和所述阴极电解室。
根据本实用新型，所述乙炔气室的厚度可为0.5-2.0mm。
根据本实用新型，所述电解室内容置有电解质；例如，所述阴极电解室内容置有碱性电解液；和/或所述阳极电解室内容置有碱性电解液。
根据本实用新型，所述电化学装置的工作电极为气体扩散电极，所述电化学装置还包括电解室、对电极、阳极腔室以及电源，所述电解室与所述乙炔气室邻接并由所述气体扩散电极分隔；所述电解室与所述阳极腔室邻接并由所述对电极分隔；所述气体扩散电极连接所述电源的负极，所述对电极连接所述电源的正极。
根据本实用新型，所述电解室的第一侧壁上具有与所述电解室内连通的第一开口，所述阳极腔室的第二侧壁上具有与所述阳极腔室内连通的第二开口；所述电解室的所述第一侧壁与所述阳极腔室的所述第二侧壁贴合，且所述第一开口与所述第二开口密封对接，并将所述对电极夹持于所述第一开口和所述第二开口处。
根据本实用新型，所述乙炔气室的气室壁上设有第三开口，所述电解室的与所述第一侧壁相对的第三侧壁上设有第四开口，所述气室壁与所述第三侧壁贴合，且所述第三开口与所述第四开口密封对接，并将所述气体扩散电极夹持于所述第三开口和所述第四开口处，以分隔所述乙炔气室和所述电解室。
根据本实用新型，所述阳极腔室内容置有阳极反应物和阳极产物，例如所述阳极腔室内容置有水溶液、氧气产物等。
根据本实用新型，所述电化学装置还包括参比电极，所述参比电极设于所述阴极电解室。
根据本实用新型，所述气体扩散电极包括气体扩散层(GDL)和固定于所述GDL位于所述阴极电解室一侧的催化剂层。
根据本实用新型，能够在低温下高活性、高选择性地将乙炔电催化转化为乙烯，能够为电催化乙炔加氢的大规模应用创造基本条件，并有望替代现有热催化乙炔加氢化工过程，促进聚乙烯工业生产的绿色可持续发展。
附图说明
图1-1和图1-2分别为根据本实用新型实施方式的电催化乙炔加氢反应系统不同实施方式的示意图。
图2-1和2-2分别为根据本实用新型实施方式的电催化乙炔加氢反应系统的分解图。
图3-A示出了根据本实用新型一个实施方式的显示蛇形气道的乙炔气室的剖视图，图3-B示出了图3-A的左视图，图3-C示出了图3-A的俯视图。
附图标记列表
1，1’：进气口
2，2’：乙炔气室
3，3’：出气口
4，4’：气体扩散层
5，5’：催化剂层
6：离子交换膜
7，7’：对电极
8：阳极电解室
8’：阳极腔室
9：阴极电解室
9’：电解室
10，10’：外电路
11，11’：电源
12，12’：第一侧壁
13，13’：第一开口
14，14’：导体
15，15’：气体扩散电极
16，16’：气室壁
17，17’：第三开口
18，18’：垫圈
h：乙炔气室的厚度
具体实施方式
为了更清楚地说明本实用新型，下面结合根据本实用新型的示例性附图对本实用新型做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。
具体地，结合图1-1，示例说明根据本实用新型一个实施方式的电催化乙炔加氢反应系统，所述系统包括乙炔气室2和电化学装置，所述电化学装置的工作电极分隔所述乙炔气室2和所述电化学装置，以形成所述乙炔气室2和所述电化学装置共用的分隔壁，通入所述乙炔气室2内的含乙炔的气体能够在所述工作电极进行乙炔电化学加氢反应，反应生成的乙炔加氢产物气体能够导出乙炔气室2。
可以理解的是，乙炔气室2具有进气口1和出气口3，通过进气口1向乙炔气室2内通入有含乙炔的气体，含乙炔的气体在工作电极完成电化学催化加氢反应后生成乙炔加氢产物气体，出气口3用于将乙炔加氢产物气体导出乙炔气室2。
根据本实用新型的实施方式，进气口1和出气口3的设置方式可以根据实际需要选择，例如可以是上下、左右、前后或对角相对设置。
本实用新型实施例的电催化乙炔加氢反应系统结构简单高效，能够实现流动相的含乙炔的气体的大电流密度催化转化，降低电催化乙炔加氢生产成本；而且该反应系统可以在低温(例如5-30℃)条件下进行，填补低温条件下乙炔催化转化的空白，实现在低温条件下乙炔到乙烯的高活性、高选择性电催化转化。
根据本实用新型，所述电化学装置用于发生电解反应，以产生乙炔电化学催化加氢反应所需的质子。即，电化学装置的对电极发生电化学氧化反应产生质子，质子与乙炔在工作电极发生电化学还原反应生成乙烯。
根据本实用新型的一个实施方式，继续结合图1-1，电化学装置的工作电极为气体扩散电极，所述电化学装置还包括电解室、电源11以及设于所述电解室内以将所述电解室分隔成阴极电解室9和阳极电解室8的离子交换膜6，所述阴极电解室9与所述乙炔气室2邻接并由所述气体扩散电极分隔；所述阳极电解室8设有对电极7，所述气体扩散电极通过外电路10连接所述电源11的负极，所述对电极7通过外电路10连接所述电源11的正极。该电化学装置结构简单紧凑，可以缩小体积。另外，对电极7和气体扩散电极分别与电源11的正、负极连接，能够保证在打开电源11时，工作电极处于偏负压条件，给出电子到乙炔分子(工作电极处的乙炔分子)，并克服电催化乙炔加氢反应过电势，从而促进乙炔加氢反应的进行。
根据本实用新型的一个实施方式，所述气体扩散电极可以包括气体扩散层4和固定于所述气体扩散层4位于所述阴极电解室9一侧的催化剂层5。
根据本实用新型的实施方式，催化剂层5例如可通过粘接、喷涂、电沉积、煅烧等方式固定在气体扩散层4一侧。
根据本实用新型的实施方式，气体扩散层4用以作为导电载体和乙炔气体扩散通道，催化剂层5与阴极电解室9中的电解质相接触，催化剂层5提供乙炔加氢反应活性中心；所述气体扩散电极固定在乙炔气室2与阴极电解室9之间，其中气体扩散层4背离催化剂层5的一侧位于乙炔气室2内，以使乙炔气室2中的含乙炔的气体可以直接接触气体扩散层4，并通过其扩散至催化剂层5并与催化剂相接触而驱动加氢反应。
根据本实用新型的实施方式，所述气体扩散层4例如可以为多孔碳、泡沫镍、泡沫铜、不锈钢网等。
根据本实用新型，负载在气体扩散电极上的催化剂与阴极电解质溶液相接触，该设置方式可增强乙炔以及质子在催化剂层5上的相互作用，同时保证气体扩散电极的导电性，降低催化剂与电极、阴极电解质间的接触内阻。
根据本实用新型，所述离子交换膜6固定在阴极电解室9与阳极电解室8之间，该设置方式可保证离子(例如质子)的定向迁移，同时保持较高的电导率，并阻止乙炔分子由气体扩散电极扩散至对电极7发生氧化副反应。
根据本实用新型的一个实施方式，所述电化学装置还可包括参比电极，所述参比电极设于所述阴极电解室9。
根据本实用新型，所述阴极电解室9中的阴极电解质分别与离子交换膜6和气体扩散电极或其上的催化剂层5相接触。
根据本实用新型的实施方式，所述阴极电解室和阳极电解室内容置有电解质；其中，电解质可以为水溶液、离子液体等液态电解质，或聚合物、金属氧化物等固态电解质，例如1M KOH溶液、0.5M H2SO4溶液，EMIM-BF4离子液体、阳离子聚合物、钙钛矿陶瓷等。
根据本实用新型的实施方式，若阴极电解质为水溶液、离子液体等液态电解质，则所述气体扩散层4为疏液结构，以确保含乙炔的气体通过其接触催化剂，同时防止阴极电解室9内的电解质进入乙炔气室2。
根据本实用新型的一个实施方式，所述阴极电解室内的电解质为碱性电解液；和/或所述阳极电解室内的电解质为碱性电解液。
根据本实用新型的一个实施方式，乙炔气室2和电化学装置可以是一个腔室的两个部分，气体扩散电极将两部分密封地(例如流体密封地)分开，以防止电化学装置的电解质进入乙炔气室2。气体扩散电极4可以附在一支撑基体上，该支撑基体可以具有足够的强度以承载所分隔腔室的重量，且支撑基体不妨碍乙炔在气体扩散电极上的扩散及电化学反应。
根据本实用新型的一个实施方式，乙炔气室2和电化学装置可以是分开的单独的部分，气体扩散电极设置在两者之间，其中，乙炔气室2和电化学装置彼此连接而将气体扩散电极夹持在其间。例如乙炔气室2、气体扩散电极、阴极电解室9、离子交换膜6、阳极电解室8、对电极7彼此之间密封连接。
根据本实用新型的一个实施方式，如图2-1所示，电催化乙炔加氢反应系统包括乙炔气室2和电化学装置，所述电化学装置包括气体扩散电极15、阴极电解室9、阳极电解室8、离子交换膜6、对电极7以及电源(未示出)，所述阴极电解室9的第一侧壁12上具有与所述阴极电解室9内部连通的第一开口13，所述阳极电解室8的第二侧壁上具有与所述阳极电解室8内部连通的第二开口(未示出)；所述阴极电解室9的所述第一侧壁12与所述阳极电解室8的所述第二侧壁贴合，且所述第一开口13与所述第二开口密封对接，并将所述离子交换膜6夹持于所述第一开口13和所述第二开口处以分隔所述阴极电解室9和所述阳极电解室8；所述对电极7设于所述阳极电解室8，所述气体扩散电极15连接所述电源的负极，所述对电极7连接所述电源的正极。
根据本实用新型的实施方式，所述乙炔气室2的气室壁16上设有第三开口17，所述阴极电解室的与所述第一侧壁相对的第三侧壁上设有第四开口(未示出)，所述气室壁16与所述第三侧壁贴合，且所述第三开口17与所述第四开口密封对接，并将所述气体扩散电极15夹持于所述第三开口17和所述第四开口处，以分隔所述乙炔气室和所述阴极电解室。
根据本实用新型的实施方式，乙炔气室2的内部形状可以是矩形、圆形或方形等。另外，为了增加乙炔气室2内含乙炔的气体与气体扩散电极15的接触面积，如图3-A至图3-C所示，乙炔气室2内可以形成蛇形气道，蛇形气道内含乙炔的气体的流动方向与气体扩散层4所在的平面平行，以使含乙炔的气体能够在气体扩散层4上呈蛇形迂回流动，使得含乙炔的气体与气体扩散层4形成巨大化的接触面积。
根据本实用新型的实施方式，所述乙炔气室的厚度(乙炔气室的厚度是指乙炔气室朝向气体扩散层的内壁至气体扩散层的垂直距离)为0.5-2.0mm，优选0.5-1.5mm，例如1.0mm。例如，所述乙炔气室的厚度在图3B中以h示出。
根据本实用新型的实施方式，当乙炔气室2内形成蛇形气道时，气道的深度与乙炔气室的厚度相同，例如当气道由隔板围成时，隔板的高度(垂直于气体扩散层4所在的平面的方向的尺寸)可与乙炔气室的厚度相当。
当厚度处于以上范围时，能够使乙炔的电催化加氢转化率保持在较高的水平，例如在500-3000h-1空速下乙炔转化率保持在98％以上。
在图2-1中，气体扩散电极15上连接有导体14，气体扩散电极15通过导体14连接电源的阴极，导体14例如可为铝箔、铜箔、不锈钢片等；气体扩散电极15的GDL例如可为碳基GDL(如H14C9，德国科德宝)，离子交换膜例如可为质子交换膜(如N-117，美国杜邦)、对电极例如可为Pt。根据本实用新型的实施方式，还可在图2-1所述系统的阴极电解室中设置参比电极，参比电极可以为Ag/AgCl。
在图2-1中，乙炔气室2、气体扩散电极15、阴极电解室9、离子交换膜6、阳极电解室8、对电极7彼此之间可以通过螺栓连接。
在图2-1中，乙炔气室2、阴极电解室9和阳极电解室8的外壳分别形成矩形壳体结构；乙炔气室内部结构为圆柱形。
如图2-1所示，在本实施例中，进气口1设置在乙炔气室2的前部，通过进气口1向乙炔气室2内通入含乙炔的气体，而出气口3设置在乙炔气室2的后部，通过出气口3排出乙炔加氢产物气体。
根据本实用新型的另一个实施方式，如图1-2所示，所述电化学装置的工作电极为气体扩散电极，所述电化学装置还包括电解室9’、对电极7’、阳极腔室8’以及电源11’，所述电解室9’与所述乙炔气室2’邻接并由所述气体扩散电极分隔；所述电解室9’与所述阳极腔室8’邻接并由所述对电极7’分隔；所述气体扩散电极通过外电路10’连接所述电源11’的负极，所述对电极7’通过外电路10’连接所述电源11’的正极。
根据本实用新型的一个实施方式，如图2-2所示，所述电解室9’的第一侧壁12’上具有与所述电解室9’内部连通的第一开口13’，所述阳极腔室8’的第二侧壁上具有与所述阳极腔室8’内部连通的第二开口(未示出)；所述电解室9’的所述第一侧壁12’与阳极腔室8’的所述第二侧壁贴合，且所述第一开口13’与所述第二开口密封对接，并将所述对电极7’夹持于所述第一开口13’和所述第二开口处。
根据本实用新型的实施方式，所述乙炔气室2’的气室壁16’上设有第三开口17’，所述电解室9’的与所述第一侧壁相对的第三侧壁上设有第四开口(未示出)，所述气室壁16’与所述第三侧壁贴合，且所述第三开口17’与所述第四开口密封对接，并将所述气体扩散电极15’夹持于所述第三开口17’和所述第四开口处，以分隔所述乙炔气室2’和所述电解室9’。
根据本实用新型的实施方式，所述阳极腔室8’内可以容置有阳极反应物和阳极产物，例如，所述阳极腔室8’中可以容置有电解质，可以容置有水，还可以容置有气体，如，所述阳极腔室8’内容置有水溶液、氧气产物等。
根据本实用新型的实施方式，所述对电极7’可以是多孔电极。
根据本实用新型，如本领域技术人员可以理解，各电解室和阳极腔室可以设置进口和出口，以供电解质的注入或产物的导出。
根据本实用新型，所述连接可以是本领域熟知的连接方式，例如螺栓连接、卡接、铆接、材料连接(如粘接、焊接)等。
根据本实用新型，如有必要，各部件之间可以通过本领域常规的方式密封，以保证其中的气、液流通而确保电化学反应而不泄露，例如可以采用密封圈、密封垫(橡胶、硅胶、氟硅胶、聚四氟乙烯等材质)等方式密封，如在图2-1和2-2中以附图标记18示出的垫圈。例如，可以在用螺栓连接各部件时，将密封圈夹在各部件之间，用螺丝拧紧固定实现密封。
如有必要，各电极和隔膜与各自对应的壳体或槽体的接触或连接方式可以通过本领域如电化学领域常规的方式绝缘和密封，比如可以绝缘套管、密封垫圈等方式绝缘和密封，以避免其中的气、液外泄以及短路而确保电化学反应顺利进行。
根据本实用新型的一个实施方式，所述催化剂涂覆在气体扩散电极面向阴极电解质的一侧，形成催化剂层，如图1-1和图1-2中的催化剂层5，5’。
根据本实用新型的一个实施方式，所述催化剂可通过浸渍、煅烧、物理或化学沉积而负载在GDL上从而形成合二为一的气体扩散电极。
根据本实用新型，所述催化剂可为选自钯基催化剂和铜基催化剂的一种或多种，例如为选自钯、铜及其合金、氧化物和氢氧化物的一种或多种。
根据本实用新型的实施方式，所述铜基催化剂可为选自CuAl-LDH纳米片、Cu纳米颗粒、Cu2O纳米颗粒和Cu/Cu2O的混合物的一种或多种。
根据本实用新型的一个实施方式，作为铜基催化剂的CuAl-LDH纳米片可通过如下方法制备：
制备pH值在9-10之间的弱碱性水溶液A；
将铜盐和铝盐溶于水中制备溶液B，其中Cu/Al摩尔比为1:1至3:1；
制备pH值在12-14之间的强碱性水溶液C；
搅拌下将溶液B和C同时滴加到溶液A中，在整个滴加过程中，使混合溶液的pH值保持恒定在9-10之间；
在完全加入溶液B和C之后，得天蓝色悬浮液，离心、水洗，得CuAl-LDH纳米片。
根据本实用新型的实施方式，所制备的CuAl-LDH纳米片可重新分散在去离子水中，并在2℃下保存备用，CuAl-LDH浓度不限定，例如可以约为6.0mg mL-1；另外，也可以将所制备的CuAl-LDH纳米片干燥为粉末保存。
根据本实用新型的实施方式，所述弱碱性水溶液A可以通过将Na2CO3或K2CO3溶于去离子水中而制备。
根据本实用新型的实施方式，所述强碱性水溶液C可以通过将NaOH或KOH溶于去离子水中而制备。
根据本实用新型的实施方式，所述铜盐可以是硝酸铜，氯化铜，硫酸铜等。根据本实用新型的实施方式，所述铝盐可以是硝酸铝，例如Al(NO3)3·9H2O。
根据本实用新型的一个实施方式，可以如下方式制备气体扩散电极：
将催化剂水分散体用乙二醇和正丙醇稀释以形成水/乙二醇/正丙醇混合浆料(例如溶剂体积比可以为(1-3):(1-3):(1-3)，如1:1:1)，其中催化剂的浓度为0.5mg mL-1；将混合浆料滴涂在GDL(例如碳基，H14C9，德国科德宝)上，干燥得气体扩散电极，即负载催化剂的气体扩散电极。
其中，所述催化剂可以为如上所述制备的CuAl-LDH纳米片、铜纳米粒子(金属含量为99.9％，10-30nm，上海麦克林生物化学有限公司)等。
根据本实用新型的一个实施方式，在将涂有CuAl-LDH纳米片的气体扩散电极连接到电化学电池上后，进行电化学反应之前，原位电还原负载的CuAl-LDH纳米片。在一个实施方式中，在进一步进行电化学反应之前，立即在1M KOH中于-0.4V下进行CuAl-LDH电还原一定时间，例如10-15分钟。
根据本实用新型的一个实施方式，催化剂层的平均厚度可以为1.0±0.2μm。
利用本实用新型的系统，可以在低温，例如5-30℃下进行电催化乙炔加氢反应。
根据本实用新型，所述含乙炔的气体可以是乙炔含量在大于0且100％以下的含乙炔的气体，例如，所述含乙炔的气体可以是乙炔浓度在0.5％-5％之间的富乙烯气体，也可以是纯乙炔气体。
采用本实用新型的系统进行电催化乙炔加氢反应时，电催化乙炔加氢反应空速可以为500-6000h-1，优选1000-3000h-1例如，1200h-1-2500h-1。
根据本实用新型，反应空速为单位体积的气体腔室每小时能够处理的乙烯原料气的体积。例如，流速为50mL min-1，即3000cm3 h-1，乙炔气室体积为2.5cm3，两者相除即得空速。
采用本实用新型的系统进行电催化乙炔加氢反应时，电化学装置的阴极电势为-0.4V至-0.6V(相对于可逆氢电极，RHE)，优选-0.4V至-0.5V；或者电池电压为1.95V至2.00V。
采用本实用新型的系统进行电催化乙炔加氢反应，乙炔催化加氢转化率可为99.95％以上，乙烯选择性可为90％以上。
以Cu/Cu2O的混合物作为催化剂，以5％-C2H2(Ar为平衡气)为原料气，采用本实用新型的系统进行电催化乙炔加氢反应，乙炔转化率与采用传统H电解池结构的电催化反应相比提高了约70倍。
本领域技术人员可根据实验需要对上述组件材料以及形状进行选择。例如，所述乙炔气室(气体腔室)的尺寸和内部结构可以根据电催化乙炔加氢的实际需要进行调整；气体腔室和电解质容器的材质可采用可承受一定压力的铝合金、石墨或不锈钢材质；可根据实际需要对催化剂的组分、形貌、结构以及负载量等参数进行调控；电解质材质可根据需要采用水溶液、离子液体等液态电解质或聚合物、金属氧化物等固态电解质；所述离子交换膜可采用质子交换膜或阴离子交换膜等商品化离子交换膜，本实用新型对此并不加以限制；所述对电极材料可采用铂电极、碳棒电极、氧化铱电极等商品化电极，本实用新型对此并不加以限制；所述电源可以是电化学工作站、恒电流、恒电压电源，本实用新型对此并不加以限制。
Claims (10)
1.一种电催化乙炔加氢反应系统，其特征在于，包括乙炔气室和电化学装置，所述电化学装置的工作电极分隔所述乙炔气室和所述电化学装置，以形成所述乙炔气室和所述电化学装置共用的分隔壁；所述乙炔气室具有进气口和出气口，所述进气口用于向所述乙炔气室内通入能够在所述工作电极进行乙炔电化学加氢反应的含乙炔的气体，反应生成的乙炔加氢产物气体能够由所述出气口导出所述乙炔气室。
2.根据权利要求1所述的电催化乙炔加氢反应系统，其特征在于，所述电化学装置的工作电极为气体扩散电极，所述电化学装置还包括电解室、电源以及设于所述电解室内以将所述电解室分隔成阴极电解室和阳极电解室的离子交换膜，所述阴极电解室与所述乙炔气室邻接并由所述气体扩散电极分隔；所述阳极电解室设有对电极，所述气体扩散电极连接所述电源的负极，所述对电极连接所述电源的正极。
3.根据权利要求2所述的电催化乙炔加氢反应系统，其特征在于，所述阴极电解室的第一侧壁上具有与所述阴极电解室内连通的第一开口，所述阳极电解室的第二侧壁上具有与所述阳极电解室内连通的第二开口；所述阴极电解室的所述第一侧壁与所述阳极电解室的所述第二侧壁贴合，且所述第一开口与所述第二开口密封对接，并将所述离子交换膜夹持于所述第一开口和所述第二开口处。
4.根据权利要求2或3所述的电催化乙炔加氢反应系统，其特征在于，所述乙炔气室的气室壁上设有第三开口，所述阴极电解室的与所述第一侧壁相对的第三侧壁上设有第四开口，所述气室壁与所述第三侧壁贴合，且所述第三开口与所述第四开口密封对接，并将所述气体扩散电极夹持于所述第三开口和所述第四开口处，以分隔所述乙炔气室和所述阴极电解室。
5.根据权利要求4所述的电催化乙炔加氢反应系统，其特征在于，所述乙炔气室的厚度为0.5-2.0mm。
6.根据权利要求1所述的电催化乙炔加氢反应系统，其特征在于，所述电化学装置的工作电极为气体扩散电极，所述电化学装置还包括电解室、对电极、阳极腔室以及电源，所述电解室与所述乙炔气室邻接并由所述气体扩散电极分隔；所述电解室与所述阳极腔室邻接并由所述对电极分隔；所述气体扩散电极连接所述电源的负极，所述对电极连接所述电源的正极。
7.根据权利要求6所述的电催化乙炔加氢反应系统，其特征在于，所述电解室的第一侧壁上具有与所述电解室内连通的第一开口，所述阳极腔室的第二侧壁上具有与所述阳极腔室内连通的第二开口；所述电解室的所述第一侧壁与所述阳极腔室的所述第二侧壁贴合，且所述第一开口与所述第二开口密封对接，并将所述对电极夹持于所述第一开口和所述第二开口处。
8.根据权利要求6或7所述的电催化乙炔加氢反应系统，其特征在于，所述乙炔气室的气室壁上设有第三开口，所述电解室的与所述第一侧壁相对的第三侧壁上设有第四开口，所述气室壁与所述第三侧壁贴合，且所述第三开口与所述第四开口密封对接，并将所述气体扩散电极夹持于所述第三开口和所述第四开口处，以分隔所述乙炔气室和所述电解室。
9.根据权利要求8所述的电催化乙炔加氢反应系统，其特征在于，所述乙炔气室的厚度为0.5-2.0mm。
10.根据权利要求2、3、6或7所述的电催化乙炔加氢反应系统，其特征在于，所述气体扩散电极包括气体扩散层和固定于所述气体扩散层位于所述电解室一侧的催化剂层。
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2021
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| CN114606518B (zh) * | 2022-03-11 | 2023-09-22 | 湖南大学 | 一种电化学乙炔选择性加氢生成乙烯的方法 |
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