Trans Tianjin Univ |氯碱电解槽回顾：从材料到设备

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文章信息

氯碱电解槽回顾：从材料到设备

作者：Kai Li, Qun Fan, Hongyuan Chuai, Hai Liu, Sheng Zhang, Xinbin Ma

原文标题：Revisiting Chlor-Alkali Electrolyzers: from Materials to Devices

期刊：Trans Tianjin Univ, 2021

https://doi.org/10.1007/s12209-021-00285-9

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-021-00285-9

本文亮点

1.从电极材料到电解系统对氯碱工业电解池几个关键单元的研究进展进行了回顾，包括氯气析出阳极、氢气析出阴极、离子交换膜以及电解槽系统等。

2.提出了氯碱工业的研究方向，如与二氧化碳电解池、燃料电池等耦合实现碳减排以及提高氢能利用效率，为氯碱工业的进一步完善提供合理性指导。

3.借鉴先进的氯碱工业电解系统，特别是氧去极化阴极技术(ODC)，有利于加速二氧化碳电解、电解水技术的工业化进程。

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内容简介

氯碱法是最基础的化学工业之一，也是最成功的电解工业之一，该法主要用于生产氯气（Cl₂）和氢氧化钠（NaOH）。全球氯碱行业每年需要消耗超过150 TW∙h的电力，约占全球电力的10％。Cl₂的应用主要体现在建筑材料的生产，例如聚氯乙烯、有机合成、冶金、水处理和二氧化钛的制造。NaOH也是一种常见的化学原料，广泛用于生产洗涤剂、除草剂、农药、药品、塑料和肥皂。但是，目前的氯碱法能耗较高，是释放大量污染物并造成严重环境问题的行业之一。因此，氯碱生产过程中的节能减排是以后重要的发展方向。

膜电解槽使用高导电性的离子交换膜（IEM）代替传统的石棉毡来分离Cl₂和H₂，从而大大降低了工作电压和污染物排放。与隔膜电解池相比，膜隔膜提供了高纯度的氢氧化钠。因此，用离子膜技术代替隔膜法是必然的趋势。目前，全氟化膜方法被认为是世界上最节能的氯碱法。在阳极室和阴极室之间放置一个阳离子选择性渗透膜，然后将饱和氯化钠溶液注入阳极室中，通常会产生32％至35％的苛性钠。通常，所有氯碱反应都包括三个反应：阳极处的氯逸出反应（CER），阴极处的氢逸出反应（HER）和电解质中的NaOH生成。氯碱电解槽主要由三部分组成：阳极，阴极和IEM。尽管随着技术的进步，最先进的氯碱电解槽的能耗已大大降低，但其所有结构部件仍需要进一步优化。

对阳极选择性的深入了解将有助于进一步开发廉价、稳定和高效的析氯催化剂。由阴极的碱性条件引起的缓慢的氢释放动力学是其高能耗的主要原因之一。因此，对氯碱电解槽碱性HER阴极的研究对于提高电能的利用效率具有重要意义。另外，使用氧去极化阴极（ODC）减少氯碱电解池的能耗已经取得了一定的成果，但其潜力仍有待评估。对IEM的深入理解不仅可以指导特定的工业运行条件，并优化电解池的总体结构设计以延长膜的使用寿命，而且还可以为高性能膜材料的设计提供基础。

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图文导读

图1 可再生电力氯碱电解槽的工作原理示意图

图2  碱性条件下HER机制示意图(a) ReS₂,(b)N-ReS₂

图3 不同活性阴极的氯碱电解槽对比(a)阴极析氢，(b)ODC

图4 双层阳离子交换膜中的多组分离子迁移

图5 (a)氯碱电解槽与CO₂RR耦合的示意图模型，(b)氧化锡催化剂将CO₂转化为甲酸的性能

通讯作者简介


 张 生现任天津大学化工学院长聘教授，系国家级优秀青年人才，欧盟玛丽居里学者。在清洁能源电化学与化工领域开展了持续深入的研究工作，特别是二氧化碳电化学转化等碳中和技术的关键材料与系统方向取得系列突破研究成果。作为通讯/一作在Nature Nano、Nature Comm、Acc Chem Res、PNAS、JACS、Angew Chem等权威期刊发表30余篇高水平论文，另在Nature Nano等杂志合著文章20余篇，授权/申请专利10余项。国内外学者在Nature、Science等期刊总引用7600多次，单篇研究论文最高引用为1030次，ESI高被引论文11篇，承担国家与省部项目6项。获得省部级科学技术一等奖、中国百篇最具国际影响学术论文、全国百篇优秀博士学位论文提名奖等荣誉。

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https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-021-00285-9

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