[发明专利]一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置及方法

权利要求书

1.一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，其特征在于，该装置包括串联的射流等离子体阵列(1)和膜电极组件MEA(17)；

所述射流等离子体阵列(1)含有六个串联连接且均匀排列的高压电极(5)，增强二氧化碳气体被激活的停留时间，促进更多的惰性二氧化碳气体转化为等离子体状态，处于激发状态的二氧化碳气体被通入到膜电极组件MEA(17)阴极催化剂层中，被还原为多碳产物；

所述膜电极组件MEA(17)采用Cu基催化剂，所述Cu基催化剂采用低温等离子体技术进行处理，通过等离子处理催化剂表面和碳纸表面，进行物理改性，使催化剂和碳纸表面具有疏水效果，抑制析氢反应(HER)，膜电极组件MEA(17)的阳极反应室的电解液采用氯化钾溶液，其中氯离子与Cu基催化剂金属原子的电子的电子云之间产生相互作用，进行化学改性，改变CO₂电还原过程的电荷密度和提高多碳产物的选择性。

2.根据权利要求1所述的一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，其特征在于，射流等离子体阵列(1)最外层通过绝缘密封材料进行密封，高压电极(5)通过绝缘螺丝固定在密封腔中，整个密封腔长度为280mm，高度为60mm，宽度为100mm，整个射流等离子体阵列(1)均处于密封状态，在常温常压下即可进行工作。

3.根据权利要求1所述的一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，其特征在于，所述高压电极(5)高度为80mm、直径为2mm，每个高压电极之间的间隔为40mm。

4.根据权利要求1所述的一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，其特征在于，所述高压电极(5)由高压电源(7)提供电能。

5.根据权利要求1所述的一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，其特征在于，Cu基催化剂选择CuPd、CuFe、CuAg、CuNi双金属催化剂。

6.根据权利要求1所述的一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，其特征在于，射流等离子体阵列(1)的二氧化碳进气口(2)上安装有二氧化碳质量流量计。

7.根据权利要求1所述的一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置，其特征在于，该装置膜电极组件MEA(17)包括CO₂气体进气口(8)、气体出气口(9)、阳极电解液输入口(10)、阳极电解液输出口(11)、阴极催化剂层(12)、阴离子交换膜(13)、阳极催化剂层(14)、阴极工作电极(15)和阳极工作电极(16)；膜电极组件MEA的两极之间通过阴离子交换膜(13)将两极分隔，只允许阴离子在两极之间进行交换，防止阳离子对反应过程的影响；

将电化学工作站的阴极电极夹与膜电极组件MEA(17)的阴极工作电极(15)相连，阳极电极夹与参比电极夹短接后再与膜电极组件MEA(17)的阳极工作电极(16)相连，经射流等离子体阵列(1)激活后二氧化碳气体经过CO₂进气口(8)通入膜电极组件MEA(17)的阴极催化剂层(12)，反应产生的气体产物经气相色谱在线检测，液相产物在阳极电解液中每一时收集一次，再通过核磁共振氢谱(NMR)进行分析。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述装置的低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)通过调整二氧化碳质量流量计的参数，控制通入射流等离子体阵列(1)中二氧化碳气体的流速，射流等离子体阵列(1)连接高压电源(7)，六个高压电极(5)采用辉光放电的方式用于击穿二氧化碳产生等离子体；

(2)将二氧化碳等离子射流气体通过膜电极组件MEA(17)的CO₂进气口(8)进入膜电极组件MEA(17)的阴极催化剂层(12)中，阳极电解液采用0.1mol/l的氯化钾溶液，按照阴极CO₂气体采用上进下出，阳极电解液采用下进上出的方式，使CO₂气体和阳极电解液能够充分的混合均匀，提高CO₂的利用效率；

(3)将制备好Cu基催化剂称量10mg，溶解在1.85ml的异丙醇和0.05ml的质量分数5％的Nafion混合溶液中，超声震荡30min后取1.8ml的混合溶液喷涂在2.5*2.5cm的碳纸上；

(4)组装膜电极组件MEA(17)：首先，采用商业的氧化钇作为阳极催化剂材料，裁剪3*3cm的氧化钇催化剂放置在膜电极组件MEA(17)阳极催化剂层(14)，然后将活化后的阴离子交换膜采用去离子水冲洗干净后，放置在阳极催化剂层(14)上面，最后将喷涂上Cu基催化剂的碳纸放置在膜电极组件MEA(17)的阴极催化剂层(12)，打开电化学工作站，采用循环伏安法(CV)对Cu基催化剂进行预处理，待电流形成稳定后，采用计时电流法进行电化学反应测试；

(5)收集膜电极组件MEA(17)中产生的气体和液相产物，气相产物通过气相色谱仪在线进行分析，液相产物通过核磁共振氢谱(NMR)进行测试；

(6)液相产物的分析需要使用氘代的DMSO试剂作为标样，取反应一小时的电解液0.5ml和氘代的DMSO溶液0.1ml配制成检测样品。