具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在地外等特殊环境下，进行人工光合成反应将二氧化碳还原为含碳氢产物和氧气，实现氧气回收和原位资源利用。为实现对反应过程进行系统研究，本发明提供一种电化学反应及电化学反应系统，主要通过多物理传感器检测多相反应过程，且能够实现对反应工况如温度、湿度、流速等进行调控。解决了反应过程反应器内部物理参数、运行状态无法观测等问题。除此之外，利用气相反应克服了二氧化碳在电解液的低溶解度问题，利用钛金属一体结构制造阳极板，解决电解液腐蚀问题。

如图1所示，本实施例所提供的电化学反应器，包括：传感器110或影像采集器；

还包括依次固接的阳极盖板120、离子膜130、阴极流道板140和阴极盖板150。

其中，阳极盖板120朝向离子膜130的端面具有阳极流道121，阴极流道板140具有阴极流道141，阴极流道141与阳极流道121相对设置并形成反应区域，阴极盖板150具有连通于反应区域的流体入口151、流体出口152及至少两个间隔设置的采样口153；

传感器110能够采集反应区域的物理参数，物理参数包括：温度、湿度、机械结构性能、流体流速及含碳气体中的至少一种；

影像采集器用于采集反应区域的运行状态。

本实施例中，电化学反应器中设置了用于采集反应区域的传感器，在反应过程中，可以实时采集反应区域的物理参数(例如：温度、湿度、机械结构性能、流体流速及含碳气体中的一种或多种)，以实时了解反应过程中电化学反应器的内部物理参数；影像采集器能够采集反应区域的运行状态；再者，反应区域并不是在储液瓶或储液容器内部，而是在阳极流道121与阴极流道141及相对应的反应区域进行反应，此时为气相反应，克服了二氧化碳在电解液的低溶解度问题。此外，多个采样口154相互独立，用于采集气体，可以采用胶垫密封，还可以利用气相色谱采样针取样检测。

本实施例中，可以将多个传感器的感应头均匀分布于反应区域的固定位置，将多个采样口均匀分布于与反应区域相对应的固定位置。

不同位置的传感器可以进行温度和湿度等物理参数的在线检测，研究其对反应过程的影响。通过对反应器加热，研究不同温度条件下的反应情况。另外，反应器设置独立的气体取样口可快速取样并测试不同位置二氧化碳还原产物的积累情况，分析反应过程和法拉第效率的变化。

本实施例中，传感器110具有多个；相应的，阴极盖板150具有多个用于安装传感器110的安装孔154，且间隔设置。具体的，安装孔154可以为圆孔、方形孔或矩形孔，可以根据传感器110的外形形状加工制成相应形状孔。安装时，传感器110穿入或穿过安装孔154，其感应头能够伸入至反应区域的相应位置处，具有结构简单，安装方便的优点。

本实施例中，传感器110包括温度传感器、湿度传感器、温湿度传感器、温度传感器、湿度传感器、应力传感器、微重力传感器、气敏传感器或红外光学传感器中的至少一种；其中，温度传感器能够检测电化学反应器内部相应位置的温度，湿度传感器能够检测电化学反应器内部相应位置的湿度，应力传感器能够探测电化学反应器内部相应位置的机械结构性能，微重力传感器能够跟踪电化学反应器内部相应位置的运行状态，气敏传感器或红外光学气体传感器能够检测微量含碳气体。

本实施例中，传感器可选择采用温湿度传感器，对反应过程中的温湿度进行检测。但不限于此，根据研究内容的需要可以选用探测机械结构性能的应力传感器，跟踪反应器运动状态的微重力传感器，检测微量含碳气体的气敏传感器或红外光学气体传感器，观测流道内部状态的工业内窥镜。在微重力环境下和狭小空间进行实验，利用传感器检测控制模块，内窥镜等研究小型封闭反应器内部气、液状态以及气液分离等物理现象有重要意义，有利于充分利用实验条件，尽可能多的获取实验数据。传感器由外部桌面软硬件进行控制，对于独立移动设备可以用微型电脑编写预制程序进行智能控制。

优选的，温湿度传感器选用小尺寸的SHT31或其他SHT3X高精度温湿度传感器，其检测湿度范围在0-100％RH，检测精度在±2％RH，检测温度反应在-40℃～125℃，精度在±0.2℃；信号采集可选用串行RS485或IIC等通信方式，相应的信号采集程序可使用C语言，Python语言等编写；传感器的位置根据流道分布和采样口布置进行定位，例如，分别布置在相应的流道入口，流道出口和流道内部，用于检测相应位置的温、湿度。

本实施例中，电化学反应器还包括用于观测流道内部运行状态的微型光学影像采集器。微型光学影像采集器包括工业内窥镜等，用来观测阳极流道及阴极流道的内部运行状态。

采用上述传感器及微型光学影像采集器，能够发挥各自的优势，能够研究小型封闭电化学反应器的内部气、液状态及气液分离等物理现象，并实时动态测量，尽可能多的获取相关实验数据。

本实施例中，阴极盖板150与阴极流道板140之间设置有密封隔膜160。密封隔膜160的设置能够对阴极侧的阴极流道板及阴极流道进行密封，防止电解液或气体从该侧泄漏。

本实施例中，阳极流道121为蛇形流道、交指流道或回形流道，用于研究气、液流体流动过程对反应的影响。

本实施例中，阴极流道141为蛇形流道、交指流道或回形流道，用于研究气、液流体流动过程对反应的影响。

本实施例中，阳极流道121的横截面形状为矩形、正方形或半圆形，其特征长度可设计为0.5～5mm，流道长度根据传感器布局及功能需求设计为10～100mm。

本实施例中，阴极流道141的横截面形状为矩形、正方形或半圆形，其特征长度可设计为0.5～5mm，流道长度根据传感器布局及功能需求设计为10～100mm。

本实施例中，阳极盖板120及其阳极流道121采用金属钛或钛合金材料制成。钛金属材料可有效避免阳极电解液，电化学反应对阳极流道、阳极盖板的腐蚀。阳极盖板120与阳极流道121可以为一体结构，还可以为分体结构，即，在阳极盖板120设置敞口凹槽，该凹槽底部封闭，敞口朝向离子膜130，阳极盖板120具有集流板的功能。

本实施例中，阴极盖板150采用尼龙、亚克力或聚醚醚酮(PEEK)材料制成；具有耐腐蚀、绝缘性的优点。

本实施例中，阴极流道板140及其阴极流道141采用钛金属、钛合金或不锈钢材料制成；具有结构强度高，耐电化学腐蚀的优点。

本实施例中，位于密封隔膜160与离子膜130之间的阴极气体扩散层采用碳纸、碳布、碳纳米管或多孔聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene，简写为PTFE)材料。

本实施例中，位于离子膜130与阳极盖板120之间的阳极催化层采用铂(Pt)、铱(Ir)、氧化铱(IrO₂)或镍(Ni)材料。

本实施例中，离子膜130采用阳离子交换膜、阴离子交换膜或双极膜。

需要说明的是，各隔板(包括阳极盖板、离子膜、阴极流道板、隔膜阴极盖板等)间采用硅胶垫或氟胶垫分隔密封，以防止电解液、气体泄漏。

与现有的二氧化碳还原反应装置相比，本发明实施例具有以下优点：

①阴极侧采用干、湿二氧化碳气体，克服二氧化碳在溶液中溶解度低的缺点，提高了二氧化碳还原电流密度。

②在反应流道增加独立的气体采样口，可用于对内部不同位置积累产气体进行快速检测。

③阳极采用钛金属直接加工流道，集流板和盖板，结构简单。钛金属、钛合金能有效避免电解液腐蚀。

④对反应区域的物理参数进行实时动态测量，有助于加深对二氧化碳还原过程的理解，揭示反应机理。温、湿度传感器可实时检测当地温度、湿度对入口气体流速和湿度进行精确的反馈控制，通过控制输入条件研究温度、湿度等参数对还原效率的影响，进而为二氧化碳还原规模化应用提供研究基础。

⑤温、湿度传感器可根据需要更换成其他类型的微型检测器，能够用于检测反应装置的状态，结合积累的实验数据估计当前电化学效率等；用于研究入口不同工况条件对反应过程的影响，电解液在不同类型膜，不同膜厚度等条件下的渗透分析以及气体扩散层亲疏水性对二氧化碳还原反应的影响。

⑥传感器实时动态测量能够有效积累实验数据，并为微重力环境测试中提供数据支持，可根据地面测试结果进行预设的自动反馈控制保证平稳运行，或根据多传感器监测数据进行调整以保证其在最佳工作状态下长期稳定运行。

本实施例中，电化学反应器的制作方法，包括如下步骤：

S100，根据三维绘图软件设计的模型、图纸，采用机械加工方式加工金属钛板，阴极流道以及亚克力阴极盖板等组件。

S102，利用商用的Ag纳米颗粒制备一定浓度的浆料，喷涂在厚度为200μm，面积为20mm*60mm的碳纸上，负载量在1～5mg/cm²，如此，制成阴极材料。

S104，选取厚度为200μm的碳纸，裁剪成面积为20mm*60mm的矩形，将所裁剪碳纸用异丙醇、乙醇和去离子水分别超声处理30分钟，再用去离子水冲洗放入真空干燥箱中干燥1小时。称量5mg颗粒大小为20nm的Ir/C粉末，溶解在20ml无水乙醇和去离子水的混合溶液中，向内加入0.5ml Nafion溶液，搅拌均匀，将制备好的Ir/C浆料喷涂在碳纸上，制备成阳极电极材料，载量为0.24mg/cm²，如此，制成阳极材料。

将阴离子交换膜置于1.5wt％浓度的NaCl溶液中，常温浸泡24小时，然后在去离子水浸泡半小时，冲洗取用，如此，制成离子膜。

S106，将S104制备的阳极材料和离子膜与S102制备的阴极材料放入阳极盖板和阴极流道之间，并用硅胶垫封装好。阴、阳极侧和传感器周围用厚度为0.3mm硅胶进行密封。

S108，将温、湿度传感器分布安装于指定采样位置，用上下两层0.8mm的硅胶进行密封，将其放置在阴极流道板和阴极盖板之间，连接通信和供电线路，开启检测硬件。

S110，将S106和S108整个装置通过绝缘螺钉紧固密封，将导线连接于阳极侧和阴极侧相应位置处。

本实施例还提供一种电化学反应系统，如图2、图3所示，该电化学反应系统包括：电化学反应模块10、电解液循环模块20、供气模块30、气体收集模块40以及电化学工作站50。

电化学反应模块10，包括上述电化学反应器100。

电解液循环模块20，包括储液容器210和蠕动泵220，储液容器210用于储存电解液，蠕动泵220通过管路连接于储液容器210和电化学反应器100的阳极侧之间。储液容器210可以采用储液瓶，采用一进两出的形式，电解液体由蠕动泵驱动从储液瓶流入到电化学反应器阳极侧，发生水氧化反应生成的氧气和电解液再循环进入储液瓶，产气在储液瓶上方排入相应的气体收集容器中。用于储存电解液的储液瓶可以采用聚醚醚酮(PEEK)等耐腐蚀的材料。电解液可以选用浓度范围为0～1mol/L的氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾及磷酸缓冲盐溶液等电解液。蠕动泵的流量范围可以选择为0～100ml/min。电解液利用蠕动泵220进行非接触驱动，从而避免腐蚀，使系统可靠性大大增加。

供气模块30，包括储气容器310和质量流量计320，质量流量计320通过管路连接于储气容器310和电化学反应器100的阴极侧之间。

气体收集模块40，包括第一气体收集容器410和第二气体收集容器420，第一气体收集容器410连通于电化学反应器100的阳极侧，第二气体收集容器420连通于电化学反应器100的阴极侧。采样口154设置于电化学反应器100的阴极侧，采样口154能够连通气相色谱检测设备，对于狭小空间无法使用气相色谱的工作场所可用气体传感器代替气相检测设备完成对产物浓度的检测。本实施例中，第一气体收集容器410和第二气体收集容器420采用集气袋。

电化学工作站50，包括与电化学反应器100电连接的电源。

本实施例中，还包括气相色谱检测设备60，连接于电化学反应器100的阴极侧。

本实施例中，如图2、图3所示，将阳极侧、蠕动泵和储液瓶三者构成闭合回路；阴极侧、质量流量计320和储气袋通过管路连接。阴、阳两侧的集流板(本实施例中为阳极盖板、阴极集流板)分别引出极耳与电化学工作站50连接。利用上述电化学反应器100进行电催化二氧化碳还原反应，其方法为，将电化学反应器100的阴极侧进气口(流体入口151)通过管路经质量流量计320控制与二氧化碳气瓶(储气容器310)连接，阳极侧的液体进出口通过胶管经蠕动泵与储液瓶连接，电解液选择使用浓度为0.5mol/L的KHCO₃溶液，二氧化碳纯度为99.99％。阴、阳极侧的出口分别与相应位置的集气袋、储液瓶连通。通过质量流量计320、蠕动泵220精确控制气、液的流量，保证气体流速在50ml/min或100ml/min；阳极侧的电解液流速为50ml/min。将装置的阴、阳极侧的基板导电极耳与电化学工作站连接，阴极侧接负极，阳极侧接正极，向电化学反应器的阳极侧和阴极侧之间施加2.8V或3.0V工作电压，利用传感器程序检测和记录相应的温度、湿度数据。

需要注意的是，在步骤S108中，当采用温、湿度传感器时，则利用传感器程序检测和记录相应的温度、湿度数据；在步骤S108中，当采用微重力传感器，则此时，利用色谱取样针抽取不同位置的气体，并利用气相色谱进行产气检测。

本实施例中，如图4所示，可以通过在电化学反应器相应位置设置温度传感器或者温湿度传感器，其中温湿度传感器为温度、湿度一体传感器，其具有两种功能，即温度传感器和湿度传感器，对于本发明实施例电化学反应器的实验而言，温度作为一组实时检测数据。请继续参照图4，在外环、入口、中间、出口处均设置温度传感器，其中，“外环”指电化学反应器所处的实验室环境，“入口”指电化学反应器阴极侧气体入口，“中间”指电化学反应器阴极侧相应流道约一半流程位置处，“出口”指电化学反应器阴极侧气体出口，为反应器产物，载气的出口，在电化学反应器所处的实验室环境设置传感器，以检测环境温度，需要说明的是，在反应过程中，不对环境加热或制冷；从图4中曲线对比分析可知，在不同气流和不同反应槽电压下，示出了反应器不同位置传感器测试温度曲线，槽电压指阴、阳两极之间的电压；从图4中的曲线图可知，电化学反应过程中，电化学反应器不同位置的温度与外环温度的差别不大，说明在电化学反应过程中热量变化很小，可以忽略不计。根据本发明实施例所提供的电化学反应器，如果增加外部加热装置，可以利用传感器实时检测不同工作区域的温度范围，用以避免反应器内部过热对催化剂、离子膜等材料或反应器本身造成不可逆损坏，为设备停机保护提供可靠的检测数据。

本实施例中，如图5所示，可以通过在电化学反应器相应位置设置湿度传感器或温湿度传感器，例如，在“外环”、“入口”、“中间”、“出口”处均设置温湿度传感器，图5为在不同气体流速和不同反应器槽电压下，不同位置传感器测试相对湿度的测试曲线。从图5可知，在三个位置的测试结果出现了增加现象，这说明，在电化学反应过程中，有部分水分从阳极液相侧渗透到了阴极气相侧且随着流道的增长，相对湿度增加趋于饱和。需要说明的是，该处的外环指电化学反应器所处的实验室环境，需测得该实验室内的空气湿度，测试结果用来对比反应气体，入口相对湿度几乎为零，为纯CO₂气体；外环与入口相比，说明通入气体无水蒸气；入口、中间、出口，该三个位置的测试结果增加，说明在电化学反应过程中，有部分水分从阳极侧液相渗透到了阴极侧气相侧且随着流道的增长相对湿度趋于饱和。而过多的水蒸气会液化导致阴极侧催化剂淹没在水溶液中，出现水淹现象，该水淹现象不利于气相二氧化碳还原。图5中，对于湿度的测试意义在于，实时检测不同区域的相对湿度。相对湿度检测对于通过改变气体流速或启停设备等方式调节阴极侧相对湿度有重要的实际应用意义，例如，可以实现阴极侧内相对湿度的反馈调节，使其保持稳定。

本实施例中，如图6所示，在该图中，示出了流速为100sccm，在不同槽电压下，流道中间和反应器出口累计还原产物换算的法拉第电流图；从图6中可以看出，随着电化学反应过程的积累，出口的总电流密度比中间位置的总电流大，即产物更多；2.8V电压比3.0V电压的电流整体偏高，说明2.8V下的二氧化碳还原能力更强；3.0V的氢气电流明显更大，高电位下产氢气能力更强。需要说明的是，槽电压指阴阳两极间电压，与传感器放置位置无直接关系；可理解为测试的外部条件，类似于大气压力、温度等试验条件。

综上，本发明实施例所提供的电化学反应系统，可用于对催化材料、膜电极或气体扩散层的性能研究；也可通过内置传感器对电化学反应器相应流道入口的温度、湿度、流速等物理参数进行监测，研究反应物理化学过程，并对反应过程进行反馈控制。电化学反应器的结构紧凑，所需空间小；阴极侧采用气相反应，可直接用浓度较高或者纯的二氧化碳气体，克服了二氧化碳在电解液中溶解度低的不足。阳极侧采用蠕动泵驱动避免电解液对泵的腐蚀问题，流动电解液能迅速将反应过程中产生的氧气带走，降低了气泡在催化电极表面聚集引起的过电势，电化学反应器和电化学反应系统可应用于一般环境或模拟微重力和微重力等环境。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。