用于尿素电解制氢和碳还原的电解池的制作方法
1.本实用新型属于电解制氢和二氧化碳利用技术领域，尤其涉及一种用于尿素电解制氢和碳还原的电解池。
背景技术：
2.目前，电解水制氢是唯一能够实现工业绿氢生产的技术途径，对双碳目标的实现具有重要意义。为了提高电解水制氢所生产绿氢的成本竞争力，需要进一步降低电解水制氢电耗。尿素作为一种电解液添加剂，能够从原理上降低电解制氢的理论能耗(仅为直接电解水的1/5)，并且尿素可从工业废料或人畜尿液中获取，在获得氢气的同时具有废水净化的附加效果，是一种良好的制氢降本途径。
3.然而，添加尿素作为电解液的电解制氢体系存在如下问题：阳极产生的二氧化碳容易在碱性环境下转化为碳酸盐，容易形成碳酸类晶体，造成膜堵塞，影响电解制氢的性能表现，造成电压升高、寿命降低等；二氧化碳对碱性离子的消耗也会造成额外成本。另外，即使二氧化碳不被转化为碳酸盐，其排放也会造成污染；二氧化碳与氢气的过膜混合会造成氢气品质下降，导致后续纯化成本增加。因此，需要解决尿素电解制氢过程中产生的二氧化碳的问题，避免二氧化碳的直接排放和对氢气的污染，以及二氧化碳对碱性离子的消耗和碳酸盐的污堵。
技术实现要素：
4.有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，阳极采用了同时具有高导电性和孔隙率的气体扩散电极，能够使尿素电解产生的二氧化碳在反应的过程中及时脱离阳极室进入化学转化室被还原，可避免二氧化碳对碱性体系内氢氧根离子的消耗，降低电解隔膜的污堵，提高电解制氢反应效率，降低过程的整体成本；同时，可降低二氧化碳对产品氢气的掺混污染，避免二氧化碳的释放，达到零碳排放的目的。
5.为达到上述目的，本实用新型的实施例提出了一种用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，包括外壳、阴极室、阳极室和化学转化室；
6.所述外壳内依次设置有阴极、隔膜和阳极，且阴极、隔膜和阳极三者中相邻两者之间留有间距；所述阳极为气体扩散电极；
7.所述阴极室为阴极、隔膜和外壳内壁密封构成的封闭腔室；所述阴极室内设有碱性水溶液；
8.所述阳极室为隔膜、阳极和外壳内壁密封构成的封闭腔室；所述阳极室内设有碱性尿素溶液；
9.所述化学转化室为阳极和外壳内壁密封构成的封闭腔室；所述化学转化室内设有二氧化碳吸收剂；或者，所述化学转化室内设有溶剂和化学催化剂；或者，所述化学转化室内设有溶剂和光催化剂。
10.本实用新型实施例的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，阳极采用了同时具有高导电性和孔隙率的气体扩散电极，能够使尿素电解产生的二氧化碳在反应的过程中及时脱离阳极室进入化学转化室被还原，可避免二氧化碳对碱性体系内氢氧根离子的消耗，降低电解隔膜的污堵，提高电解制氢反应效率；同时，可降低二氧化碳对产品氢气的掺混污染，避免二氧化碳的释放，达到零碳排放的目的。
11.另外，根据本实用新型上述实施例提出的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，还可以具有如下附加的技术特征：
12.在本实用新型的一些实施例中，所述阴极为表面设有负载层的导电基板；所述导电基板为金属板或多孔板；所述负载层的材质为pt、ru、rh、ir、ni、co、fe、zn、ti中的一种。
13.在本实用新型的一些实施例中，所述隔膜为多孔隔膜或具有oh-传导作用的阴离子交换膜；所述多孔隔膜为zirfon膜；所述阴离子交换膜为修饰有阳离子基团的聚芳醚膜、聚乙烯膜、聚苯乙烯膜、聚四氟乙烯膜或聚苯膜；所述阳离子基团为多烷基铵盐、咪唑盐、吡啶盐或盐。
14.在本实用新型的一些实施例中，所述阳极为表面负载有活性催化层的多孔基体；所述多孔基体为泡沫金属或碳材料；所述活性催化层的材质为pt、ru、rh、ir、ni、co、fe、zn、ti中的一种。
15.在本实用新型的一些实施例中，所述二氧化碳吸收剂充满所述化学转化室；所述二氧化碳吸收剂为胺类有机吸收剂。
16.在本实用新型的一些实施例中，所述溶剂和化学催化剂充满所述化学转化室；所述溶剂为醇类有机溶剂、胺类有机溶剂或水；所述化学催化剂为有机多孔载体支持的复合金属颗粒或无机多孔载体支持的复合金属颗粒。
17.在本实用新型的一些实施例中，所述溶剂和光催化剂充满所述化学转化室；所述光催化剂为半导体材料担载助催化剂；所述外壳为透光材料。
18.在本实用新型的一些实施例中，所述溶剂为醇类有机溶剂、胺类有机溶剂或水；所述光催化剂为石墨相氮化碳负载的氧化亚铜纳米晶催化剂。
19.在本实用新型的一些实施例中，所述化学转化室的进液口连通管线上和出液口连通管线上均安装有循环泵，用于驱动化学转化室内的二氧化碳吸收剂或溶剂循环流动。
20.在本实用新型的一些实施例中，用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，还包括外电源；所述阳极连接外电源的正极，所述阴极连接外电源的负极。
21.本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
22.本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
23.图1是根据本实用新型一个实施例的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池的简单结构示意图。
24.图2是根据本实用新型一个实施例的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池的阳极室内设有二氧化碳吸收剂时的简单结构示意图。
25.图3是根据本实用新型一个实施例的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池的阳极室设有化学催化剂时的简单结构示意图。
26.附图标记：
27.1-阴极；2-隔膜；3-阳极；4-外壳；5-外电源；6-化学催化剂；10-阴极室；20-阳极室；30-化学转化室。
具体实施方式
28.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
29.本实用新型实施例中所涉及的化学试剂和设备，如无特殊说明，均为常规市售化学试剂和设备；本实用新型实施例中所涉及的方法，如无特殊说明均为常规方法。
30.下面结合附图来描述本实用新型实施例的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池。
31.图1是根据本实用新型一个实施例的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池的简单结构示意图。
32.如图1所示，本实用新型实施例的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，包括外壳4、阴极室10、阳极室20和化学转化室30；外壳4内依次设置有阴极1、隔膜2和阳极3，且阴极1、隔膜2和阳极3三者中相邻两者之间留有间距；阳极3为气体扩散电极；阴极室10为阴极1、隔膜2和外壳4内壁密封构成的封闭腔室；阴极室10内设有碱性水溶液；阳极室20为隔膜2、阳极3和外壳4内壁密封构成的封闭腔室；阳极室20内设有碱性尿素溶液；化学转化室30为阳极3和外壳4内壁密封构成的封闭腔室；化学转化室30内设有二氧化碳吸收剂；或者，化学转化室30内设有溶剂和化学催化剂6；或者，化学转化室30内设有溶剂和光催化剂。
33.本实用新型实施例的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，阳极采用了同时具有高导电性和孔隙率的气体扩散电极，能够使尿素电解产生的二氧化碳在反应的过程中及时脱离阳极室进入化学转化室被还原，可避免二氧化碳对碱性体系内氢氧根离子的消耗，降低电解隔膜的污堵，提高电解制氢反应效率，降低过程的整体成本；同时，可降低二氧化碳对产品氢气的掺混污染，避免二氧化碳的释放，达到零碳排放的目的。
34.可选的，在本实用新型的一些实施例中，阴极1远离隔膜2一侧可以与其紧邻的外壳4内壁紧贴；在本实用新型的另一些实施例中，阴极1远离隔膜2一侧也可以与其紧邻的外壳4之间留有间距(如图1所示)。
35.可选的，阴极1、隔膜2、阳极3均可以与外壳4内壁焊接或者通过密封圈和螺栓等与外壳4内壁密封连接，只要保证阴极室10、阳极室20和化学转化室30均为密闭腔室即可。
36.需要说明的是，外壳形状不限，可以是长方体状、正方体状、圆柱状等。可选的，在本实用新型的一些实施例中，当化学转化室30内设有二氧化碳吸收剂、或者化学转化室30内设有溶剂和化学催化剂6时，外壳的材质不限，可以是不锈钢等金属材质，也可以是聚四氟乙烯等耐腐蚀的塑料材质。在本实用新型的另一些实施例中，当化学转化室30内设有溶剂和光催化剂时，因为光催化剂需要接收自然光或外置光源发出的光，因此，外壳材质最好设置成透光材料，比如聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚苯乙烯(ps)、聚碳酸酯(pc)和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯(cr-39)等。
37.可选的，在本实用新型的一些实施例中，阴极1、隔膜2、阳极3可以相互平行设置；在本实用新型的另一些实施例中，阴极1、隔膜2、阳极3也可以各自相互成不同角度倾斜设置；只要阴极和隔膜与外壳能构成阴极室、隔膜和阳极与外壳能构成阳极室、阳极与外壳能构成化学转化室即可。较佳的，为了方便加工和安装，外壳为长方体或正方体状，阴极1、隔膜2、阳极3三者平行设置，且均与外壳顶部和底部垂直设置。
38.可选的，在本实用新型的一些实施例中，碱性水溶液为20-30wt％的氢氧化钾溶液；碱性尿素溶液为氢氧化钾、尿素和水的混合溶液，混合溶液中氢氧化钾和尿素的含量分别为20-30wt％和1-10wt％。较佳的，碱性水溶液为25wt％的氢氧化钾溶液；碱性尿素溶液为氢氧化钾、尿素和水的混合溶液，混合溶液中氢氧化钾和尿素的含量分别为25wt％和5wt％
39.可选的，在本实用新型的一些实施例中，阴极1为表面设有负载层的导电基板。其中，在一些实施例中，导电基板可以选择金属板，比如铜板、不锈钢板等，在另一些实施例中，导电基板可以选择泡沫金属或碳材料等多孔板，其中泡沫金属可以选择泡沫镍、泡沫铜、泡沫铁镍合金、泡沫镍钼合金等，碳材料可以选择石墨、活性炭等。可选的，负载层的材质可以选择pt、ru、rh、ir、ni、co、fe、zn、ti中的一种或两种以上的合金。可选的，在本实用新型的一些实施例中，导电基板厚度为100-500微米，负载层的厚度为5-100纳米。
40.需要说明的是，在本实用新型的一些实施例中，设有负载层的导电基板的制备方法为：通过电沉积、浸渍等方法将负载层的材质形成于导电基板上，具体形成方法和工艺条件等为本领域常规技术，不是本实用新型实施例的重点。
41.其中，阴极1表面的电化学反应如下：
42.6h2o+6e-→
3h2+6oh-。
43.可选的，在本实用新型的一些实施例中，隔膜2可以选择多孔隔膜，比如商业zirfon膜(负载有85wt％zro2纳米颗粒的聚砜)等；在本实用新型的另一些实施例中，隔膜2可以选择具有oh-传导作用的阴离子交换膜。较佳的，阴离子交换膜可以选择修饰有阳离子基团的聚芳醚膜、聚乙烯膜、聚苯乙烯膜、聚四氟乙烯膜或聚苯膜，其中阳离子基团可以选择多烷基铵盐、咪唑盐、吡啶盐或盐，比如多烷基铵盐可以选择三烷基季铵盐、三甲基季铵盐等。
44.在本实用新型的一些实施例中，具有oh-传导作用的阴离子交换膜的制备方法为：单体聚合(将修饰有阳离子基团的单体与结构基团直接聚合。例如：季铵聚(n甲基--共-对三联苯)(qappt)——
45.1)在三氟甲磺酸和三氟乙酸的催化下，对三联苯与n-甲基-4-酮反应形成线性聚合物。2)将聚合物的基团转化为季铵盐：在nmp/dmso混合溶剂中，在70℃下与ch3i反应。3)带有oh-的qappt的最终形成：用koh溶液处理一段时间。)或后修饰改性(将高分子膜直接进行阳离子基团修饰改性。例如，以聚四氟乙烯膜为基体材料，通过接枝反应向其上修饰氯甲基苯乙烯，再使用三甲胺溶液和koh溶液进行季铵化和碱化反应)。
46.可选的，在本实用新型的一些实施例中，阳极3为表面负载有活性催化层的多孔基体。多孔基体可以选择泡沫金属或碳材料，泡沫金属可以选择泡沫镍、泡沫铜、泡沫铁镍合金、泡沫镍钼合金等，碳材料可以选择石墨、活性炭等。活性催化层的材质为pt、ru、rh、ir、ni、co、fe、zn、ti中的一种或两种以上的合金。较佳的，多孔基体的厚度为100-500微米，平
均孔径为10-20微米，孔隙率为20-60％；活性催化层的厚度为5-100纳米。阳极采用了同时具有高导电性和多孔性的气体扩散电极，能够使尿素电解产生的二氧化碳在反应的过程中及时脱离电解阳极室体系，避免二氧化碳对碱性体系内氢氧根离子的消耗，降低电解隔膜的污堵，提高电解制氢反应效率。
47.在本实用新型的一些实施例中，表面负载有活性催化层的多孔基体的制备方法为：通过电沉积、浸渍等方法将活性催化层的材质形成于多孔基体上，具体形成方法和工艺条件等为本领域常规技术，不是本实用新型实施例的重点。
48.其中，阳极3表面的电化学反应如下：
49.co(nh2)2+6oh-→
n2+5h2o+co2+6e-。
50.在本实用新型的实施例中，在化学转化室内，二氧化碳以化学吸收、化学催化还原、光催化还原等形式被吸收或转化。
51.化学吸收原理：使用具有碱性的化学吸收液通过与二氧化碳发生化学反应来吸收二氧化碳。(在吸收的过程中生成不稳定的盐类(比如碳酸氢盐)，再将其送入再生塔中，通过加热不稳定的盐类物质可以分解，从而得到较高浓度的二氧化碳，吸收剂再生之后送入吸收塔继续进行吸收。)目前比较常用的吸收剂包括氨水溶液、钙基吸收液、碳酸钾溶液、强碱溶液、有机醇胺溶液等。
52.催化还原原理：在化学催化剂或光催化剂作用下，二氧化碳发生还原反应，产生有机物产品或中间产品，如一氧化碳、甲酸、甲醛、甲醇或c
2+
碳氢燃料等。常见的光催化二氧化碳还原产物以及对应的电势见表1.1。
53.表1.1光催化二氧化碳还原产物以及对应的电势
54.co2还原反应e(v(vs.nhe))co2+e-→
co2·-‑
1.9co2+2h
+
+2e-→
co+h2o-0.53co2+2h
+
+2e-→
hcooh-0.61co2+4h
+
+4e-→
hcho+h2o-0.48co2+6h
+
+6e-→
ch3oh+h2o-0.38co2+8h
+
+8e-→
ch4+h2o-0.242h
+
+2e-→h2-0.41
55.化学转化室采用有利于二氧化碳溶解或吸收的溶剂，使从阳极产生并扩散的二氧化碳及时到达化学催化剂表面，同时化学转化体系(二氧化碳吸收剂，或溶剂和化学催化剂，或溶剂和光催化剂)处于流化状态，这有利于二氧化碳被还原形成有价值的产品，促使电解反应平衡向正向移动，提高整体反应效率的同时也降低二氧化碳对产品氢气的掺混污染，也避免了二氧化碳的释放，达到零碳排放的目的。
56.可选的，在本实用新型的一些实施例中，化学转化室30的进液口连通管线上和出液口连通管线上均安装有循环泵，用于驱动化学转化室30内的二氧化碳吸收剂或溶剂循环流动。化学吸收室的进液口和出液口可以分别设在化学吸收室所对应的外壳顶部和底部；此外，化学吸收室还可以在与其对应的外壳顶部设置气体出口，用于排出尿素电解产生且进入化学吸收室内的氮气。
57.可选的，在本实用新型的一些实施例中，当二氧化碳在化学转化室内以化学吸收
的形式被吸收时，二氧化碳吸收剂充满化学转化室30(如图2所示)。二氧化碳吸收剂与阳极3的界面由于相分离作用而稳定存在，二氧化碳吸收剂处于不断循环状态，将富集的二氧化碳转移到化学转化室外，进一步将二氧化碳与二氧化碳吸收剂分离(加热等形式)，用于食品生产或进一步转化。二氧化碳吸收剂优选有机吸收剂，更优选为胺类有机吸收剂，比如一乙醇胺、二乙醇胺、n-乙基乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇胺、二甲基乙醇胺、二乙氨基乙醇胺等，二氧化碳吸收率为99％。有机吸收剂对二氧化碳有较强的吸收作用，有利于从阳极扩散来的二氧化碳去除，从而促进电解侧的反应向正向移动。
58.可选的，在本实用新型的另一些实施例中，当二氧化碳在化学转化室内以化学催化还原的形式被转化时，溶剂和化学催化剂6充满化学转化室30(如图3所示)，溶剂处于循环状态，可促进二氧化碳的溶解和与化学催化剂颗粒的接触。可选的，溶剂为醇类有机溶剂、胺类有机溶剂或水，其中醇类有机溶剂可以选择甲醇、乙醇、乙二醇等，胺类有机溶剂可以选择一乙醇胺、二乙醇胺、n-乙基乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇胺、二甲基乙醇胺、二乙氨基乙醇胺等。可选的，化学催化剂粒径为10-100微米，体系固含率为10-30％，有利于化学催化剂颗粒的良好分散。化学催化剂6为有机多孔载体支持的复合金属颗粒或无机多孔载体支持的复合金属颗粒，比如mof负载的cu纳米颗粒、氧化锆负载的cu-zn纳米颗粒、氧化铝负载的cu纳米颗粒、氧化铈负载的cu纳米颗粒等，在本实用新型的一些实施例中，化学催化剂优选活性炭负载的铜纳米颗粒(市售)，粒径范围为5-40nm，负载量为5-60％；较佳的，活性炭负载的铜纳米颗粒中铜纳米颗粒负载量为40％。在本实用新型的另一些实施例中，化学催化剂优选活性炭负载的fe-cu合金纳米颗粒，粒径范围为5-20nm，负载量为5-20％，fe和cu的摩尔比为5-20：95-80；较佳的，活性炭负载的fe-cu合金纳米颗粒中fe-cu合金负载量为10％，fe和cu的摩尔比为10：90。当二氧化碳在化学转化室内以化学催化还原的形式被转化时，二氧化碳转化率为95％。
59.在本实用新型的一些实施例中，化学催化剂有机多孔载体支持的复合金属颗粒或无机多孔载体支持的复合金属颗粒的制备方法为化学共沉淀法，具体可参考文献w.wang,z.qu and l.song et al.,co
2 hydrogenation to methanol over cu/ceo
2 and cu/zro
2 catalysts:tuning methanol selectivity via metal-support interaction,journal of energy chemistry,https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.03.001。
60.具体来说，以分析级ce(no3)3·
6h2o和zr(no3)4·
4h2o为前驱体，采用草酸盐共沉淀法制备ceo2和zro2。以氧化铈负载cu纳米颗粒为例，ceo2的制备为：将ce(no3)3·
6h2o的溶液加入草酸盐溶液(比如0.2mol/l的草酸钾溶液)中；再将混合物在70℃搅拌1h，然后老化2h；接下来，将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤3次，在流动空气中在60℃下干燥过夜，并在550℃下煅烧4h，即可得ceo2。铜通过沉积-沉淀法沉积到ceo2载体上，采用cu(no3)2·
3h2o作为前体，草酸盐作为沉淀剂(比如0.2mol/l的草酸钾溶液)，将沉积有cu的ceo2载体在450℃下煅烧4h，即可获得氧化铈负载cu纳米颗粒。这里需要说明的是，所有化学催化剂均需在450℃下煅烧4h。
61.可选的，在本实用新型的又一些实施例中，当二氧化碳在化学转化室内以光催化还原的形式被转化时，溶剂和光催化剂充满化学转化室30，溶剂处于循环状态，可促进二氧化碳的溶解和与光催化剂颗粒的接触。可选的，溶剂为醇类有机溶剂、胺类有机溶剂或水，
其中醇类有机溶剂可以选择甲醇、乙醇、乙二醇等，胺类有机溶剂可以选择一乙醇胺、二乙醇胺、n-乙基乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇胺、二甲基乙醇胺、二乙氨基乙醇胺等。可选的，光催化剂粒径为10-100微米，体系固含率为10-30％，有利于光催化剂颗粒的良好分散。光催化剂为半导体材料担载助催化剂，其中半导体材料有二氧化钛、石墨相氮化碳(g-c3n4)、碳化硅、氧化锌、硫化镉等；助催化剂可以是金、铂、银、钌、铜、铁、铅等贵金属或非贵金属的单质，也可以是金、铂、银、钌、铜、铁、铅等贵金属或非贵金属的氧化物，还可以是金、铂、银、钌、铜、铁、铅等贵金属或非贵金属的硫化物，还可以是金、铂、银、钌、铜、铁、铅等贵金属或非贵金属的卤化物纳米材料，还可以是金、铂、银、钌、铜、铁、铅等贵金属或非贵金属的络合物等分子催化剂(如卟啉、吡啶等)。在本实用新型的一些实施例中，光催化剂优选为二氧化钛负载的铂催化剂，铂负载量为5-40％；较佳的，二氧化钛负载的铂催化剂中铂负载量为20％。在本实用新型的另一些实施例中，光催化剂为g-c3n4负载的氧化亚铜纳米晶催化剂，负载量为5-80％；较佳的，g-c3n4负载的氧化亚铜纳米晶催化剂中氧化亚铜纳米晶负载量为50％。当二氧化碳在化学转化室内以光催化还原的形式被转化时，二氧化碳转化率为95％。
62.在本发明的一些实施例中，光催化剂半导体材料担载助催化剂的制备方法为热化学法。其中：g-c3n4等有机类半导体材料本身的合成方法可参照g-c3n4制备方法，氧化锌等无机类半导体材料本身的合成方法可参照上述化学催化剂的化学共沉淀法。所有助催化剂在半导体材料上的担载方法可参照g-c3n4负载的氧化亚铜纳米晶催化剂的制备方法。
63.其中，g-c3n4负载的氧化亚铜纳米晶催化剂的制备方法可参考文献田志远.单原子/纳米颗粒@g-c3n4复合催化体系的合成与光催化研究[d].天津理工大学,2021.doi:10.27360/d.cnki.gtlgy.2021.000188.
[0064]
其中，g-c3n4制备采用高温煅烧法，具体来说：首先，将一定量的尿素加入到盛有15m l水的烧杯里，等待尿素溶解之后，搅拌3个小时。然后将搅拌完成的尿素溶液进行旋蒸。旋蒸结束后，将白固体从烧瓶中转移到瓷舟中。将瓷舟放置在马弗炉中，以5℃/min的升温速率从室温升至500℃，在500℃恒温2h，等到马弗炉降至室温，得到了淡黄固体(g-c3n4)。用去离子水洗涤样品三次后在真空干燥箱内干燥。
[0065]
其中，g-c3n4负载氧化亚铜纳米晶催化剂制备采用原位化学合成法，具体来说：把上面合成的g-c3n4先分散在84ml水溶液中。水浴加热到35℃加入5m l 0.1m cucl2溶液，接着加入870mg十二烷基硫酸钠进行剧烈搅拌。等十二烷基硫酸钠完全溶解后，加入1.8ml 1.0m的氢氧化钠溶液，发现溶液立即变成亮蓝，说明形成了氢氧化铜沉淀。此时，将9.2ml 0.1m的nh2oh
·
hcl(盐酸羟氨)在5s内快速注入到溶液中。在35℃的水浴中搅拌1h，然后用纯水进行洗涤离心，得到沉淀，然后在45℃真空干燥箱内干燥过夜。
[0066]
可选的，在本实用新型的一些实施例中，用于尿素电解制氢和碳还原的电解池还包括外电源5；阳极3连接外电源5的正极，阴极1连接外电源5的负极。
[0067]
可选的，在本实用新型的一些实施例中，阴极室所对应的外壳上设有阳极电解液入口、阴极电解液出口和氢气出口，其中阴极电解液入口和阴极电解液出口分别连通碱性水溶液储槽的出口和入口，且连通管线上均安装有循环泵，可以驱动碱性水溶液在阳极室内循环流动。阳极室所对应的外壳上设有阳极电解液入口和阳极电解液出口，其中阳极电解液入口和阳极电解液出口分别连通碱性尿素溶液储槽的出口和入口，且连通管线上均安
装有循环泵，可以驱动碱性尿素溶液在阳极室内循环流动。
[0068]
本实用新型实施例的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池的工作原理为：
[0069]
阴极室内电解碱性水溶液，发生析氢反应，产生氢气，oh-经隔膜进入阳极室，阳极室内电极碱性尿素溶液，发生尿素的氧化反应，尿素被转化为氮气、二氧化碳和水，氮气和二氧化碳经阳极进入化学转化室，氮气经化学转化室的气体出口排出，二氧化碳在化学转化室内经化学吸收或化学催化还原或光催化还原被转化为一氧化碳、甲酸、甲醛、甲醇或c
2+
碳氢燃料，实现零碳排放。
[0070]
综上所述，本实用新型实施例的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，能够使尿素电解产生的二氧化碳在反应的过程中及时脱离电解阳极室体系，被还原形成有价值的产品，避免二氧化碳对碱性体系内氢氧根离子的消耗以及由此产生的碳酸盐对隔膜的污堵问题，降低二氧化碳对产品氢气的掺混污染，也避免了二氧化碳的释放，达到零碳排放的目的。
[0071]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0072]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0073]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0074]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0075]
在本实用新型中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0076]
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是
示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
技术特征：
1.一种用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，其特征在于，包括外壳、阴极室、阳极室和化学转化室；所述外壳内依次设置有阴极、隔膜和阳极，且阴极、隔膜和阳极三者中相邻两者之间留有间距；所述阳极为气体扩散电极；所述阴极室为阴极、隔膜和外壳内壁密封构成的封闭腔室；所述阴极室内设有碱性水溶液；所述阳极室为隔膜、阳极和外壳内壁密封构成的封闭腔室；所述阳极室内设有碱性尿素溶液；所述化学转化室为阳极和外壳内壁密封构成的封闭腔室；所述化学转化室内设有二氧化碳吸收剂；或者，所述化学转化室内设有溶剂和化学催化剂；或者，所述化学转化室内设有溶剂和光催化剂。2.根据权利要求1所述的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，其特征在于，所述阴极为表面设有负载层的导电基板；所述导电基板为金属板或多孔板；所述负载层的材质为pt、ru、rh、ir、ni、co、fe、zn、ti中的一种。3.根据权利要求1所述的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，其特征在于，所述隔膜为多孔隔膜或具有oh-传导作用的阴离子交换膜；所述多孔隔膜为zirfon膜；所述阴离子交换膜为修饰有阳离子基团的聚芳醚膜、聚乙烯膜、聚苯乙烯膜、聚四氟乙烯膜或聚苯膜；所述阳离子基团为多烷基铵盐、咪唑盐、吡啶盐或盐。4.根据权利要求1所述的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，其特征在于，所述阳极为表面负载有活性催化层的多孔基体；所述多孔基体为泡沫金属或碳材料；所述活性催化层的材质为pt、ru、rh、ir、ni、co、fe、zn、ti中的一种。5.根据权利要求1所述的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，其特征在于，所述二氧化碳吸收剂充满所述化学转化室；所述二氧化碳吸收剂为胺类有机吸收剂。6.根据权利要求1所述的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，其特征在于，所述溶剂和化学催化剂充满所述化学转化室；所述溶剂为醇类有机溶剂、胺类有机溶剂或水；所述化学催化剂为有机多孔载体支持的复合金属颗粒或无机多孔载体支持的复合金属颗粒。7.根据权利要求1所述的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，其特征在于，所述溶剂和光催化剂充满所述化学转化室；所述光催化剂为半导体材料担载助催化剂；所述外壳为透光材料。8.根据权利要求7所述的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，其特征在于，所述溶剂为醇类有机溶剂、胺类有机溶剂或水；所述光催化剂为石墨相氮化碳负载的氧化亚铜纳米晶催化剂。9.根据权利要求1所述的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，其特征在于，所述化学转化室的进液口连通管线上和出液口连通管线上均安装有循环泵，用于驱动化学转化室内的二氧化碳吸收剂或溶剂循环流动。10.根据权利要求1所述的用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，其特征在于，还包括外电源；所述阳极连接外电源的正极，所述阴极连接外电源的负极。
技术总结
本实用新型公开了一种用于尿素电解制氢和碳还原的电解池，包括外壳、阴极室、阳极室和化学转化室；外壳内依次设置有阴极、隔膜和阳极，且阴极、隔膜和阳极三者中相邻两者之间留有间距；阳极为气体扩散电极；阴极室为阴极、隔膜和外壳内壁密封构成的封闭腔室；阴极室内设有碱性水溶液；阳极室为隔膜、阳极和外壳内壁密封构成的封闭腔室；阳极室内设有碱性尿素溶液；化学转化室为阳极和外壳内壁密封构成的封闭腔室；化学转化室内设有二氧化碳吸收剂。本实用新型所述的尿素电解制氢和碳还原的电解池，可提高电解制氢反应效率，降低过程的整体成本，避免二氧化碳的释放，达到零碳排放的目的。的。的。
