質(zhì)子交換膜反應(yīng)器中CO2加氫的電勢和傳質(zhì)研究.pdf

1、目前，隨著化石燃料的大量使用和溫室效應(yīng)的逐漸加劇，將CO2轉(zhuǎn)化為有用的化石燃料受到越來越多的關(guān)注，CO2的加氫轉(zhuǎn)化是其中一種重要的途徑。質(zhì)子交換膜反應(yīng)器（PEMR）因為其可以在陰極側(cè)形成原位吸附氫，實現(xiàn)常溫常壓下的操作，同時獲得較快的反應(yīng)速率而具有獨特的優(yōu)勢。而將CO2加氫用于 PEMR中時，由于活化能較高，需要較高陰極電勢。而采用傳統(tǒng)的PEMR進行CO2加氫的電流效率很低，在陰極催化劑和膜之間加入緩沖層可顯著提高CO2加氫的效率，但其

2、作用機制未見報道。同時，CO2傳質(zhì)問題的解決也鮮有報道。
　　本研究對比了傳統(tǒng)兩電極PEMR和緩沖層三電極PEMR體系，通過對緩沖層作用機理的探究，提出了針對陰極電勢的不同調(diào)控機制。研究發(fā)現(xiàn)，加入緩沖層后，CO2加氫反應(yīng)的閾值為-1.3V，緩沖液吸收的H+在外加電場作用下定向聚集在陰極催化劑表面，與催化層內(nèi)負電荷形成雙電層，雙電層內(nèi)電勢降較為明顯，保證了陰極側(cè)催化劑表面分得足夠的電勢，促使CO2加氫獲得較高的反應(yīng)速率（-1.8V時

3、為89.8nmol cm-2s-1）。而在傳統(tǒng)的PEMR中，由于膜與催化劑中同種電荷之間的排斥作用無法形成雙電層，導致電勢主要消耗在膜上而陰極側(cè)電勢過低，因此電流效率很低。
　　除了調(diào)控陰極電勢，緩沖層還能夠吸收從陽極傳遞過來的大量H+，從而抑制陰極側(cè)的析氫副反應(yīng)，但其作用在反應(yīng)過程中會受到限制。因此，本研究針對緩沖層的關(guān)鍵參數(shù)進行了研究，考察了不同緩沖液種類、濃度、pH值及反應(yīng)時間對CO2加氫性能的影響。發(fā)現(xiàn)不同種類的緩沖液的析

4、氫效果隨著pH值變化程度的減小而增加。隨著反應(yīng)時間的進行，緩沖液中的H+濃度會逐漸達到飽和，pH值下降到3左右，同時析氫電流效率增加到50%，加氫性能下降是析氫反應(yīng)加劇和產(chǎn)物抑制綜合作用的結(jié)果。
　　同時，考慮到緩沖層的加入會增大體系的傳質(zhì)阻力，本文針對傳質(zhì)阻力的改善提出了一些解決方案?？赏ㄟ^提高催化劑表面CO2的吸附量改善反應(yīng)物的傳質(zhì)，在KHCO3緩沖液中加入四氫呋喃（THF）和在催化劑中加入可以吸附CO2的ZIF-L都在一定程