一种用于氢同位素分离的石墨烯固体电解池装置
阅读说明：本技术 一种用于氢同位素分离的石墨烯固体电解池装置 (Graphene solid electrolytic cell device for hydrogen isotope separation ) 是由 柳伟平 刘玉昆 郑明杰 周勋 冯宇钦 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于氢同位素分离的石墨烯固体电解池装置,包括电解池以及设置在所述电解池内的石墨烯复合膜电极；其中,所述石墨烯复合膜电极由析氢催化层、石墨烯层、阴离子交换层和析氧催化层依次叠加构成；并且,所述析氢催化层所在面朝向所述电解池的阴极端,析氧催化层所在面朝向所述电解池的阳极端。本发明采用石墨烯层与阴离子交换层形成石墨烯复合膜固体电解质,实现氢离子的选择性分离；这种石墨烯复合膜能有效增加固体电解质的氢同位素的筛分能力,提高氢同位素的分离系数,降低电解法氢同位素分离的能耗。本发明有效提高了氢同位素分离系数,为氢同位素生产以及含氚废水处理提供更佳解决方案。(The invention provides a graphene solid electrolytic cell device for hydrogen isotope separation, which comprises an electrolytic cell and a graphene composite membrane electrode arranged in the electrolytic cell; the graphene composite membrane electrode is formed by sequentially overlapping a hydrogen evolution catalyst layer, a graphene layer, an anion exchange layer and an oxygen evolution catalyst layer; and the hydrogen evolution catalysis layer is positioned to face the cathode end of the electrolytic cell, and the oxygen evolution catalysis layer is positioned to face the anode end of the electrolytic cell. The graphene composite membrane solid electrolyte is formed by the graphene layer and the anion exchange layer, so that the selective separation of hydrogen ions is realized; the graphene composite membrane can effectively increase the sieving capacity of the hydrogen isotopes of the solid electrolyte, improve the separation coefficient of the hydrogen isotopes and reduce the energy consumption of hydrogen isotope separation by an electrolytic method. The invention effectively improves the separation coefficient of hydrogen isotopes, and provides a better solution for hydrogen isotope production and tritium-containing wastewater treatment.)
技术领域
本发明属于氢同位素电解分离领域，涉及一种固体电解质电解分离装置，尤其涉及一种用于氢同位素分离的石墨烯固体电解池装置。
背景技术
氢同位素电解分离是利用电能电解水分子产生氕、氘、氚三种氢同位素离子，由于氕、氘、氚质量差引起的同位素效应，使得三种同位素由水分子解离为氢离子的先后顺序不同，由此实现氕、氘、氚分离。单独依靠电解解离的同位素效应分离氢同位素效率低、能耗高。现目前研究将电解装置与氢同位素分离材料联用，构造一种固体电解质氢同位素电解分离装置。在外加电场的作用下，氕、氘、氚三种氢同位素离子定向移动穿过氢同位素分离材料，在电解氢同位素效应及分离材料筛分联合作用下，提高氢同位素分离系数、电解能量利用效率。
传统水电解分离装置采用碱性电解质，其分离系数小(1～3)，电解效率低。同时，传统碱性电解质在应用时还表现出了以下缺点：(1)碱性电解质带来的腐蚀作用进一步增加了设备维护成本；(2)CO2吸收引起的碱性电解液变质，导致电解质导电能力降低，从而严重影响其氢同位素生产效率；(3)电解产生的废液严重污染环境，需得到有效的处理。利用阴离子交换膜构造的碱性固体电解池(ASEC：Alkaline Solid Electrolytic Eell)是一种新型电解池，相比于传统碱性电解池，ASEC的电解效率更高，可适用于碱性与中性环境，具有更广泛的应用场景。同时，与质子交换膜固体电解池，由于ASEC不采用昂贵的质子交换膜及可应用非贵金属催化剂，还具备低成本优势。此外，ASEC还具有设备结构简单、紧凑，易于操作的优势。因此，作为氢燃料生产而言，ASEC是一种有前景的高效生产装置，但作为氢同位素分离装置而言，其氢同位素分离系数相对较低，无法胜任大量氢同位素分离处理工作。因此，目前的ASEC仍需改进。
据相关文献报道，石墨烯具有亚原子选择性，氢同位素离子(质子、氘核、氚核)穿过石墨烯六方晶格是一种热激活过程。在外建电场的作用下，质子获得活化，能穿过石墨烯六方晶格势垒。同时，由于氢同位素离子较大的质量差异，“零点能”更高的质子优先穿过石墨烯，其次是氘核，再其次为氚核，这种差异使石墨烯具备优良的氢同位素选择性。通过理论计算显示，氕氘分离系数可高达10，氕氚分离系数可高达30，远高于现目前工业应用的氢同位素分离工艺。因而，利用石墨烯构造ASEC电解池分离氢同位素分离，尤其是含氚废水的处理，是一项十分有应用前景的高效工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于氢同位素分离的石墨烯固体电解池装置，其通过阴离子交换膜的OH-1传导及石墨烯的筛分作用来有效提高氢同位素的分离系数；同时，通过设置紧凑型结构来有益于隔离CO2对碱性电解液的不利影响，并有效降低分离装置其他部件能耗、提高氢同位素电解分离能量利用效率。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种用于氢同位素分离的石墨烯固体电解池装置，包括电解池以及设置在所述电解池内的石墨烯复合膜电极；其中，所述石墨烯复合膜电极由析氢催化层、石墨烯层、阴离子交换层和析氧催化层依次叠加构成；并且，所述析氢催化层所在面朝向所述电解池的阴极端，析氧催化层所在面朝向所述电解池的阳极端。
作为本发明的优选方式之一，所述电解池包括电解池外壳、阴极板、阳极板、绝缘密封垫片、密封垫圈和气体扩散层；所述电解池外壳包括阴极外壳、阳极外壳；所述阴极外壳与阳极外壳分别设置在所述电解池的阴极端、阳极端，并且，所述阴极外壳的内侧依次连接有第一绝缘密封垫片、阴极板、第一密封垫圈、第一气体扩散层，所述阳极外壳的内侧依次连接有第二绝缘密封垫片、阳极板、第二密封垫圈、第二气体扩散层；其中，所述第一气体扩散层与石墨烯复合膜电极的所述析氢催化层相接，第二气体扩散层与石墨烯复合膜电极的所述析氧催化层相接。
作为本发明的优选方式之一，所述石墨烯复合膜电极中，所述析氢催化层、石墨烯层、阴离子交换层与析氧催化层通过热压或喷涂工艺依次叠加、并组装成“析氢催化层-石墨烯层-阴离子交换层-析氧催化层”三明治结构。
作为本发明的优选方式之一，所述石墨烯复合膜电极的整体厚度小于一毫米，石墨烯复合膜电极中石墨烯层厚度小于一纳米。
作为本发明的优选方式之一，所述析氢催化层采用贵金属材料、贵金属的合金材料、贵金属化合物材料、过渡金属材料或析氢催化剂制成；
所述析氧催化层采用贵金属材料、贵金属的合金材料、金属氧化物材料、尖晶石结构氧化物材料或纳米材料催化剂制成。
作为本发明的优选方式之一，所述析氢催化层中：所述贵金属材料为Pd、Pt中的一种；所述贵金属化合物材料为铂碳；所述过渡金属材料为镍、铁中的一种；所述析氢催化剂为非金属非晶三硫化钼析氢催化剂；
所述析氧催化层中：所述贵金属材料为Ru、Ir中的一种；所述金属氧化物材料为IrO2、RuO2、NiO、CoO中的一种；所述尖晶石结构氧化物材料为CuCo2O4、NiCo2O4中的一种；所述纳米材料催化剂为铁基纳米材料、银基纳米材料、金基纳米材料中的一种。
作为本发明的优选方式之一，所述石墨烯层采用石墨烯或石墨烯衍生物制成。
作为本发明的优选方式之一，所述阴离子交换层采用壳聚糖类阴离子交换膜、聚砜类阴离子交换膜、苯醚类阴离子交换膜或聚氟乙烯类阴离子交换膜。
作为本发明的优选方式之一，所述电解池外壳采用金属材料或耐氧化聚合物材料制成；所述阴极板与阳极板采用抗氧化导电材料制成；所述绝缘密封垫片及密封垫圈采用聚四氟乙烯膜或硅胶材料制成；所述气体扩散层采用碳材料或金属材料制成。
作为本发明的优选方式之一，所述电解池外壳中：所述金属材料为不锈钢、铝板的一种；所述耐氧化聚合物材料为聚四氟乙烯板；
所述阴极板与阳极板中：所述抗氧化导电材料为纯钛板、镀金铜板、镀金不锈钢板中的一种；
所述气体扩散层中：所述碳材料为碳布、碳纸中的一种；所述金属材料为钛纤维毡、泡沫镍中的一种。
本发明相比现有技术的优点在于：本发明通过阴离子交换膜的OH-1传导及石墨烯的筛分作用来有效提高氢同位素的分离系数；同时，通过设置紧凑型结构来有益于隔离CO2对碱性电解液的不利影响，并有效降低分离装置其他部件能耗、提高氢同位素电解分离能量利用效率，具体如下：
(1)本发明中，石墨烯复合膜电极通过热压或者喷涂等方式将各材料组装成三明治结构，作为氢同位素筛分材料石墨烯层的厚度不到一纳米，极大减少了分离材料带来的电阻对电能的损耗；同时，石墨烯亚原子选择透过性对氢同位素有很强的筛分能力，提供了高于所有工业应用的氢同位素分离工艺的分离系数，大大提高了氢同位素分离效率，尤其是含氚废水的处理效率；
(2)在本发明中，石墨烯复合膜电极的整体厚度远小于一毫米，电解池腔体可根据需要具备极为灵活的可改造性；电解装置可通过并联多级提高生产效率，以串联的方式提升氢同位素的纯度；
(3)本发明结构简单，体积小，可根据工作环境的不同，灵活进行组合，扩展了装置的应用范围。
附图说明
图1是实施例1中用于氢同位素分离的石墨烯固体电解池装置的拆分结构示意图；
图2是实施例1中石墨烯复合膜电极的结构示意图。
图中：1为电解池，11为电解池外壳，111为阴极外壳，112为阳极外壳，12为阴极板，13为阳极板，14为绝缘密封垫片，141为第一绝缘密封垫片，142为第二绝缘密封垫片，15为密封垫圈，151为第一密封垫圈，152为第二密封垫圈，16为气体扩散层，161为第一气体扩散层，162为第二气体扩散层，2为石墨烯复合膜电极，21为析氢催化层，22为石墨烯层，23为阴离子交换层，24为析氧催化层。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1～2所示，本实施例的一种用于氢同位素分离的石墨烯固体电解池装置，包括电解池1以及设置在电解池1内的石墨烯复合膜电极2。其中，石墨烯复合膜电极2由析氢催化层21、石墨烯层22、阴离子交换层23和析氧催化层24依次叠加构成；并且，析氢催化层21所在面朝向电解池1的阴极端，析氧催化层24所在面朝向电解池2的阳极端。电解池1为经典的固体电解池结构，包括电解池外壳11、阴极板12、阳极板13、绝缘密封垫片14、密封垫圈15和气体扩散层16；电解池外壳11包括阴极外壳111、阳极外壳112；阴极外壳111与阳极外壳112分别设置在电解池1的阴极端、阳极端，并且，阴极外壳111的内侧依次连接有第一绝缘密封垫片141、阴极板12、第一密封垫圈151、第一气体扩散层161，阳极外壳112的内侧依次连接有第二绝缘密封垫片142、阳极板13、第二密封垫圈152、第二气体扩散层162。其中，第一气体扩散层161与石墨烯复合膜电极2的析氢催化层21相接，第二气体扩散层162与石墨烯复合膜电极2的析氧催化层24相接。
进一步地，本实施例的石墨烯复合膜电极2中，析氢催化层21、石墨烯层22、阴离子交换层23与析氧催化层24均通过热压或喷涂工艺依次叠加、并组装成“析氢催化层-石墨烯-阴离子交换层-析氧催化层”三明治结构。并且，石墨烯复合膜电极2的整体厚度远小于一毫米，石墨烯层22厚度小于一纳米。
进一步地，本实施例的石墨烯复合膜电极2中，关于各结构部分的制备材料：
析氢催化层21可采用Pd、Pt或其他贵金属及合金材料；或者，铂碳或其他贵金属化合物材料；或者，镍、铁或其他过渡金属材料；或者，非金属非晶三硫化钼析氢催化剂或其他析氢催化剂。
析氧催化层24可采用Ru、Ir或其他贵金属及合金材料；或者，IrO2、RuO2、或其他贵金属氧化物材料；或者，NiO、CoO或其他非贵金属氧化物材料；或者，CuCo2O4、NiCo2O4或其它尖晶石结构氧化物材料；或者，铁基纳米材料、银基纳米材料、金基纳米材料或其他纳米材料催化剂。
石墨烯层22采用单层石墨烯、双层石墨烯、三层及三层以上石墨烯，或者，石墨烯衍生物。
阴离子交换层23采用壳聚糖类阴离子交换膜、聚砜类阴离子交换膜、苯醚类阴离子交换膜、聚氟乙烯类阴离子交换膜或其他阴离子交换聚合物材料。
进一步地，本实施例的电解池1中，关于各结构部分的制备材料：
电解池外壳11可采用不锈钢、铝板或其他金属材料；或者，聚四氟乙烯板或其他耐氧化聚合物材料。
阴极板12与阳极板采13用纯钛板、镀金铜板、镀金不锈钢板或其他抗氧化导电材料。
绝缘密封垫片14及密封垫圈15采用聚四氟乙烯膜或硅胶材料。
气体扩散层16采用碳布、碳纸或其他碳材料；或者，钛纤维毡、泡沫镍或其他金属材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。