固体氧化物燃料电池与电解池中的甲烷氧化偶联研究进展

近年来,相比于传统制烯烃工艺的经济性与环保性,甲烷氧化偶联(OCM)制乙烯成为研究的热点,然而产物选择性偏低及甲烷与氧气混合的安全风险限制了它的商业应用。固体氧化物燃料电池及电解池因易于电化学调控且具备氧离子膜结构可以解决这两项难题,并可耦合发电或者电解水和二氧化碳带来额外的商业价值。综述了利用固体氧化物燃料电池及电解池进行OCM反应的研究进展,重点分析了不同类型催化剂的优缺点,并讨论了电化学OCM的反应机理。未来需要进一步开发具备甲烷活化能力的离子电子混合导体材料作为催化剂,并辅以高温原位的检测技术与结合模拟计算来探究反应过程。

固体氧化物电解池的发展及研究现状

固体氧化物电解池(SOEC)可以高效、清洁地与可再生能源进行耦合并将其转化为化学能,是一种高效、环保的能量转化装置,但是存在长期运行性能衰减问题,这个问题也是固体氧化物电解水制氢实现大规模商业化的关键所在。本文简要介绍了SOEC的发展历程、类别及其组成和运行原理;详细阐述了该项技术的优、缺点及运行成本;重点对SOEC性能衰减的因素进行了分析,SOEC的组成、运行模式、连接板材料及运行条件等是造成性能衰减的主要因素;最后通过论文和专利数量分析了固体氧化物电解池的研究现状和未来发展趋势,认为虽然固体氧化物燃料电池(SOFC)发展较为成熟,但迫于目前环境需求,为了充分利用清洁能源,降低碳排放,SOEC制氢技术的大规模商业化必然是未来行业的发展方向,目前SOEC性能的稳定及低成本制备是该技术发展面临的主要问题。

固体氧化物电解池制氢关键材料发展现状

对固体氧化物电解池及其工作原理进行了简介,综述了电解槽关键材料电解质和电极材料性能要求与现阶段研究现状、电解槽降解机理等,并展望了其未来发展趋势。

基于堆栈电解池的纳米SnO_(2)电催化CO_(2)还原试验

利用新能源电能电催化还原二氧化碳(CO_(2))技术能在减排降碳过程将CO_(2)转化为增值化学品,有广阔应用前景,在多种还原产物中,甲酸(HCOOH)易储存和运输,储氢密度高,应用前景好。氧化锡(SnO_(2))电催化材料成本低、毒性小,且SnO_(2)用于电催化还原CO_(2)制HCOOH选择性高。而在电催化还原的工业化中,合理的电解池结构有重要意义。为探究更合理的电解池结构,提出一种自制的多层堆栈式电解池,将通过火焰喷雾热解方法制备的SnO_(2)纳米颗粒作为电催化剂,进行电催化还原CO_(2)研究。探究电解池的阴极-阳极间距、电解液流速、电解液浓度及电极堆栈数目等参数对电催化性能影响。试验结果显示:阴极-阳极距离越小,电能损耗越少,电催化还原CO_(2)性能更佳;电解液的流速对催化剂还原性能无明显影响,但过大的流速使反应的电流密度产生大的波动;在电解液浓度小于1 mol/L时,催化剂对HCOOH的选择性随着电解液浓度增加而增加,而在电解液浓度大于1 mol/L时,各产物的选择性趋于稳定;电极堆栈排放时,电流密度略下降,但整体法拉第效率和HCOOH的法拉第效率均所提高,并对析氢反应有较明显抑制作用。使用堆栈电解池可减小电荷转移电阻及扩散电阻。对于该堆栈电解池,在阴极-阳极间距10 mm、施加电位-1.2 V vs.RHE、KHCO_(3)浓度1 mol/L下,SnO_(2)在堆栈条件对HCOOH的法拉第效率达37.53%,且总的法拉第效率达75.83%。结果表明:使用堆栈电解池可提升催化剂催化性能,提升目标产物的选择性。

金属支撑型固体氧化物电解池的3D建模与性能分析

建立了一种铈基电解质的金属支撑型固体氧化物电解池的三维模型,通过多物理场耦合分析了其电化学工作性能.设计的3层电解质结构为10Sc1CeSZ|GDC|10Sc1CeSZ,以GDC为主电解质.针对连接体、流体域和多层单电池结构建立了三维模型,将质量、动量、能量控制方程与物质输运方程和电化学反应耦合建立多物理场分析模型.研究了设计的金属支撑型固体氧化物电解池的电化学工作性能,详细分析了电池内部的速度场、浓度场和温度场分布.结果表明,设计的金属支撑型固体氧化物电解池在650℃下,电流密度为2.4 A/cm^(2)时,电压损失为0.38 V,欧姆损失和极化损失分别占33.72%和66.28%.采用金属支撑对气体的输运仅有轻微的影响,但是整个电池内部的温度分布均匀性得到明显改善.

质子交换膜水电解池分布特性研究

电解水制氢的分布特性对水电解池的性能和寿命有着重要影响。利用分区印刷线路板对电解水的稳态与动态过程进行电流密度分布和温度分布的原位表征,分析在水流量和表观电流密度影响下传质极化对多物理场的作用效果。结果表明,当水电解池处于电化学极化和欧姆极化区时,电流密度分布和温度分布较为均匀且稳定;而当水电解池处于传质极化控制区时,电流密度分布差异明显,而且传质极化程度越大局部电流密度分布差异越大,对应温度分布的高温区随流量增大从进水侧逐渐向出水侧偏移。此外,采用归一化电流密度分布分析了动态过程中电流密度的分布演化过程,结果表明,造成水电解池分布均一性变化的主要原因是传质极化,传质极化发生过程中靠近下游出口区域的低电流密区逐渐增大,最终形成稳定传质极化时的分布特征。

基于相变材料的固体氧化物电解池热管理策略研究

为了实现波动电压输入下高温固体氧化物电解池(solid oxide electrolysis cell,SOEC)的有效热管理,提出了基于相变材料(phase change material, PCM)的热管理策略。建立了SOEC共电解水和二氧化碳的三维多物理场耦合模型,分析了基于PCM的热管理策略对SOEC温度、电流密度和化学反应速率等的影响。结果表明:使用PCM进行热管理能够有效抑制波动电压输入下SOEC内部的温度波动,避免SOEC内部产生剧烈的温度变化,同时能够显著提升温度均匀性。在电压从1.34 V增加至1.50 V再降至1.10 V这一动态输入过程中,使用PCM能够使电解池的最大温度从1 205 K降至1 151 K,降低了4.48%,最小温度则从1 114 K增加到了1 142 K,增加了2.51%,SOEC温度均匀性最大可达90.13%。基于PCM的热管理策略有利于SOEC长期稳定运行。

固体氧化物电解池时空分布式参数建模

固体氧化物电解池(SOEC)在高温环境下运行,内部存在复杂的热电相互耦合,温度、电压的控制对电堆平稳、安全运行至关重要。针对电堆复杂非线性、时空分布的特点,基于时空最小二乘支持向量机(LS-SVM)构建了SOEC温度、电压时空分布模型,采用一个核函数来描述电堆流道方向不同位置的空间相关性,采用动态回归方程描述电堆温度、电压分布的时间特性。通过Simulink构建SOEC机理仿真模型,生成样本数据来对时空分布模型进行训练并测试。仿真结果表明该模型能够准确预测SOEC温度、压力在时间及空间维度的分布,具有较优的泛化能力,可为电解系统优化与控制提供参考。

电解铝CO_(2)资源化利用的隔膜电解池的设计

将工业废气中的CO_(2)转化为高值化学品,创造经济效益,是CO_(2)高排放行业迫切需要解决的重大现实问题。然而,由于缺乏工业适用的电化学反应装置,研究工作一直未取得实质性突破。针对上述问题,提出了一种新型隔膜电解池,可以在阴极上将CO_(2)电还原为CO,在阳极上将HCl氧化成Cl_2,所得CO、Cl_2用于合成光气。通过这种方法,不仅可以实现CO_(2)减排,还可以解决含HCl工业废气综合利用问题。为了提高电解CO_(2)制CO的效率,采用无氰电镀法制备了三维流通型Ag/Cu多孔修饰电极,通过提高电极比表面积,增加活性位点,将阴极电流密度提高至46.3 mA/cm^(2),生成CO的法拉第效率稳定在92.52%。本项研究在电能储存和CO_(2)减排领域具有重要理论研究价值和工程应用前景。

固体氧化物电解池的制备与优化

固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell,SOEC)作为一种高效的能量转化装置,可将富余电力转化为氢能,具有广阔的应用前景。然而在SOEC实际运行中,由于H_(2)O分子体积远大于H_(2)分子,使得H_(2)O分子在传统的阴极结构中的传质效率下降,从而降低电解性能,因此提升水蒸气的传质效率对其性能提升具有重要意义。为提升水蒸气的传质效率,对电池结构进行了专门的设计;采用梯度孔结构的阴极,结合新型空气极材料,以Sc稳定的氧化锆(ScSZ)作为电解质制备得到了大面积SOEC单电池,并以单一孔径结构的阴极单电池作为对照组,对两种结构的阴极单电池的电解性能进行测试表征。结果表明在750℃时相同含量水蒸气下单一孔径阴极单电池的电解性能均低于阶梯孔阴极单电池的电解性能:在750℃@1.3 V-80%H_(2)O下10 cm×10 cm大面积单电池上,前者电解功率为32 W,后者40.2 W,即阶梯孔结构阴极的设计提升了电解性能。

微生物电解池改善垃圾焚烧渗沥液厌氧处理性能研究

垃圾焚烧渗沥液是一种含有多种污染组分的高浓污水,在渗沥液处理中常采用厌氧消化去除有机污染物。采用试验研究微生物电解池用于垃圾焚烧渗沥液处理的性能,试验结果表明:相比常规厌氧反应器,微生物电解池能够在更高的有机负荷下正常运行,具有更强的有机负荷耐受性和适应性;微生物电解池能够提高渗沥液中腐殖质等大分子难降解有机物的降解率,降低其在厌氧出水中的含量,有利于后续处理单元稳定运行;微生物电解池能够提高甲烷产量和甲烷产率,具有良好的能源回收潜能。

高中化学“电解池”的项目式教学设计——利用电解技术设计低碳合成氨工艺流程

以“哈伯合成氨工艺”为项目情境,以“利用电解池技术对合成氨工艺进行降碳改进”为项目任务,通过分析哈伯合成氨工艺高碳排放的原因建立初步研究思路;通过“制作简单的燃料电池”实验构建电化学认识模型,在知识层面理解电解池装置的原理及其在物质转化中的重要应用,深入理解项目任务;通过设计绿色可持续的合成氨方案,加强理论与实践的结合,培养和发展学生科学态度与社会责任化学学科核心素养。

项目式教学视域下的电解池教学设计——以“探秘消毒液的制取”为例

以消毒液的制取展开项目式教学,在项目教学中回顾电解水、电解熔融氯化钠两个简单电解池,构建电解池思维模型,利用其分析电解饱和食盐水装置,呈现梯度式学习,逐步提高学生的思维分析能力;学生分组探究电极材料对电解产物的影响,运用电解池模型设计“家庭版”消毒水以及从资料卡中获取信息——利用银离子的消毒作用设计“银离子”消毒水,加强学科与社会的联系与应用,发展学科核心素养,提升学生的社会责任感。

经历思维过程 发展模型认知——以“电解池是如何工作的”单元教学为例

在人教版高中化学选择性必修课程“电解池”的教学中,设计了使学生经历思维过程、发展模型认知的单元教学。从学生熟悉的冶炼金属钠开始,采用启发引导式教学,逐步而连贯地引导学生分析思考改换不同的电解质或者改换不同电极时电解池是如何工作的,通过问题链引领学生经历思维过程,构建对电解池的工作原理、构成要素及其相互关系的认知,形成解决电解池问题的一般思路和方法,促进“模型认知”核心素养的发展。

基于欧拉-欧拉方法的CO_(2)电解池水气传输特性

为研究CO_(2)电解还原过程中的水-气传输特性,基于欧拉-欧拉方法,建立CO_(2)电解池中多相传质过程与电化学相耦合的计算模型,搭建CO_(2)电解池试验测试平台,基于试验数据对仿真模型进行验证;在此基础上分别基于单通道模型和大尺寸单蛇形流场模型对电解池工作特性进行模拟分析。仿真结果表明:较大的水流速度可以加快生成气体的排出,利于催化层电化学反应进行;在大尺寸流场中,由于水排出不及时,有相当一部分水通过质子交换膜传递到阴极侧,导致阴极发生水淹,降低阴极侧液态水含量可在一定程度上改善阴极侧的气体传输;为避免阴极水量过多,应合理设计流场结构和供水供气策略。

PEM水电解池渐变型流场结构的传质和性能研究

传统质子交换膜(PEM)水电解池的平行、蛇形等流场由于传质不佳导致电性能下降。针对于此,该研究提出一种渐变型流场,通过数值模拟的方法,比较正、反向进水(分别记作渐变Ⅰ型、渐变Ⅱ型)两个条件下,流场内流速、压力、气体分布以及电流密度分布变化,并与平行、蛇形流场对比。结果表明,渐变Ⅰ型流场的压降仅次于平行流场,具有较高的流速且也能够有效快速排出气体,平均电流密度高于蛇形流场8%,高于平行流场4%。采用渐变Ⅰ型流场的质子交换膜水电解池具有更优的电性能。

基于“证据推理与模型认知”的化学课堂教学实践探索——以“再探电解池”的教学设计为例

电解池作为新课程“化学反应原理”的重点知识,其相关概念和原理较为抽象,需要学生结合宏观、微观等多个层次进行理解,具有较强的系统性和抽象性。因此,需要通过建构相关概念关系的模型以形成可视化的认知路径去促进学生的理解、提高学生分析并解决问题的能力。该设计以电解FeCl2溶液为载体,以电解池的模型重构为主旨,依据学情设计环环相扣的探究活动,并辅以数字化实验直观化的展示,以期学生在解决问题的过程中建构学科知识、掌握科学方法、提升关键能力。

高温固体氧化物电解池应用领域研究进展

综述了高温固体氧化物(SOEC)电解池应用领域的研究进展,阐述了其基本原理,并对其发展现状进行了系统归纳总结,分析了SOEC电解池在各个应用领域中存在的问题,对未来发展需要重点关注的方向进行了展望。

质子交换膜电解池阳极钛基气体扩散层研究进展

气体扩散层在质子交换膜(PEM)水电解池中有着支撑膜组件、供给反应水、移除气体产物以及降低欧姆电阻的重要作用。PEM水电解池阳极区具有酸性、富氧且高电位的工作环境,对阳极区的气体扩散层具有严苛的要求。气体扩散层结构特性、导电性与耐腐蚀性是决定其电化学性能的关键。本文总结了可用于PEM电解池阳极气体扩散层的材料,简述了其结构特性对PEM电解池电化学性能的影响,分析了各种镀层材料在提高气体扩散层的导电性、耐腐蚀性以及电解池阳极氧析出反应(OER)性能方面的作用。最后,展望了气体扩散层在降低成本和提高电解池性能方面的研究趋势。

微生物电解池催化CO_(2)电转化为甲烷:影响因素、电子传递和展望

化石燃料作为能源供应的主要来源,燃烧导致大量CO_(2)的释放和温室效应,CO_(2)的捕获和再利用越来越受到人们的关注.微生物电解池(MEC)作为一种新的CO_(2)再利用技术,可通过将电活性微生物与电化学刺激相结合,将CO_(2)通过生物电化学作用回收为低碳燃料(如CH_(4)),从而实现CO_(2)固定和能量回收.尽管近年来MEC领域有较多研究,但仍然存在许多问题阻碍了该技术的规模化和产业化.本文梳理了CO_(2)电化学产甲烷的工作原理、性能影响的关键因素、生物阴极电活性功能微生物及其胞外电子传递机制、电催化耦合技术的最新研究进展,提出了MEC辅助CO_(2)电甲烷化技术的未来研究需求和挑战.