[发明专利]一种新型高温电化学制尿素电解池装置及应用

说明书

本发明提供了一种高温电化学制尿素电解池装置，利用氮气和二氧化碳在加热条件下电化学直接耦合制备尿素，属于电化学及电催化反应设备技术领域。该装置包括阴极板、阴极流道、阳极板、阳极流道、阴极气体扩散层、阴极催化剂层、普通垫片、阴极电解液室垫片、阴极电解液层、固态电解质层、阳极催化剂层、阳极气体扩散层、加热系统、高温压紧螺丝、电解池保温箱。具有上述结构的高温电化学制尿素电解池装置，设计结构合理、组装过程简单、尿素转化率高、材料成本低且使用寿命长等特点，可实现大规模尿素生产，大大提高了生产效率，满足生产需求。

技术领域

本发明属于电化学及电催化反应设备技术领域，具体涉及一种新型高温电化学制尿素电解池装置及其应用。

背景技术

尿素，又名脲、碳酰胺，化学式为CO(NH₂)₂，是化学工业中的重要原料。尿素较稳定、易保存，使用方便，对土壤破坏力小，是含氮量最高的化肥氮源。然而目前尿素的工业生产以二氧化碳和氨气为原料，其中工业制取氨气在高温高压下进行，能耗高，操作危险。此外，工业上利用二氧化碳和氨气制取尿素，首先生成氨基甲酸铵，后经过脱水形成尿素，该反应条件也为高温高压，能耗较高，其反应方程式为：

2NH₃+CO₂→NH₂COONH₄→CO(NH₂)₂+H₂O

通过电解技术，利用电能合成具有高附加值化学品对于人类社会的可持续发展具有重要意义。目前，已有报道在室温下将氮气和二氧化碳电化学还原制备尿素，是一种较新的方法。然而该种方法通常在室温下采用H型电解池(H-cell)，将氮气和二氧化碳气体通入阴极电解液中，利用溶解的氮气和二氧化碳进行反应。但这种使用H-cell及利用溶解气体的方法，反应效率低，尿素产率小，其中最重要的原因包括：一是在室温下氮气的活化转化较为困难；二是只靠溶解的二氧化碳和氮气反应导致传质困难；三是阴极副反应析氢严重。

因此寻找一种新型的高温电化学制尿素电解池装置，在较高温度下原位活化氮气和二氧化碳，并利用气相直接进行耦合制备尿素，同时在阴极添加耐高温电解液层抑制析氢反应并降低过电势，是领域内研究人员未来关注的重点。

发明内容

鉴于此，针对现有室温H-cell电化学制备尿素技术的不足，本发明提供一种新型高温电化学制尿素电解池装置，该装置可在较高温度下，利用氮气和二氧化碳的直接耦合，实现尿素的规模化生产。该电解池组装方法简单、成本低廉、反应效率显著，未来在工业生产中有良好的应用前景。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种新型高温电化学制尿素电解池装置，包括阴极板(1)、阴极流道(2)、阳极板(3)、阳极流道(4)、阴极气体扩散层(5)、阴极催化剂层(6)、普通垫片(7)、阴极电解液室垫片(8)、阴极电解液层(9)、固态电解质层(10)、阳极催化剂层(11)、阳极气体扩散层(12)、加热系统(13)、高温压紧螺丝(14)、电解池保温箱(15)。