CO2电化学还原制取CO的研究

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在密闭空间的生存系统中,不仅要求分离去除CO2,还要求提供充足的O2以保证工作人员的正常生活和工作。为了能在密闭空间的生存系统中分离去除CO2,拟利用燃料电池技术,一步实现CO2向代氢燃料CO的转化。本论文以Pb片为工作电极,石墨棒为对电极,银-氯化银电极为参比电极,主要研究了不同温度和压力下,水溶剂(0.5mol/L KHCO3溶液)和非水溶剂(0.1 mol/L KOH+甲醇溶液)中CO2电化学还原制取CO的阴极还原行为。实验系统研究了温度、压力、电解电位等因素对目标还原产物CO的法拉第效率的影响。还原结果表明:在本实验条件下,低温和较正的电解电位有利于CO的生成;当CO2压力小于0.4 MPa时,CO的法拉第效率随压力增加明显增大;当压力大于0.4 MPa时,这种增加幅度趋于平缓。最佳实验条件下,在0.5 mol/L KHCO3溶液中,CO的最大法拉第效率为19.8%(反应条件为常温、1.2 MPa、电解电位-0.5V);在0.1 mol/L KOH+甲醇溶液中,CO的最大法拉第效率为13.9%(反应条件为常温、1.2 MPa、电解电位-0.6V)。在研究的电解电位范围内,讨论了不同温度和压力下过电位对CO2电化学还原为CO的局部电流密度(PCD)的影响。结果表明,过电位与生成CO的局部电流密度的对数值成线性关系,符合塔菲尔公式,塔菲尔曲线表明CO2电化学还原为CO的电极反应不受传质限制。最后对CO2还原的电极反应过程动力学进行了初步研究,计算结果表明:在0.5 mol/L KHCO3溶液中,CO2电化学还原为CO的反应值((?)lg j0/(?)lg PCO2)为0.2966,阴极反应级数为0.385;在0.1 mol/L KOH+甲醇溶液中,CO2电化学还原为CO的反应值((?)lg j0/(?)lg PCO2)为0.486l,阴极反应级数为0.574。反应级数为非整数,表明反应很复杂,具体反应历程有待进一步深入研究。本实验对CO2电化学还原转化为CO的最佳工作条件和电极反应动力学进行探讨和研究,以期为潜艇和载人航天器等密闭系统提供一项新的高效、低耗、可连续工作的空气更新技术。同时在化石燃料大量消耗,能源危机日益加剧的今天,由电化学还原CO2获取燃料具有十分重要的意义和美好的应用前景。
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