[發明專利]用于二氧化碳、一氧化碳和其他化學化合物的電化學反應的具有先進架構的反應器

在審

• 申請號: 202210615593.7
• 申請日: 2017-05-03
• 公開（公告）號: CN115198294A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 肯德拉·P·庫爾;埃托沙·R·卡夫;喬治·倫納德
• 申請（專利權）人: 歐普斯12公司;加利福尼亞大學董事會
• 主分類號: C25B9/23
• 分類號: C25B9/23;C25B13/08;C25B3/25;C25B11/057;C25B3/03;C25B1/23;C25B11/051;C25B11/095;C25B3/26;C25B3/07;C25B11/031
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 艾娟;鄭霞

本申請涉及用于二氧化碳、一氧化碳和其他化學化合物的電化學反應的具有先進架構的反應器。已經開發了一種平臺技術，該平臺技術在CO_x還原反應器中使用新穎的膜電極組件，所述膜電極組件包括：陰極層，該陰極層包含還原催化劑和第一陰離子和陽離子導電聚合物；陽極層，該陽極層包含氧化催化劑和陽離子導電聚合物；膜層，該膜層包含陽離子導電聚合物，所述膜層被布置在陰極層和陽極層之間并且導電地連接陰極層和陽極層。反應器可以用于由二氧化碳合成寬范圍的碳基化合物。

本申請是申請日為2017年05月03日，申請號為201780036099.2，發明名稱為“用于CO₂、CO和其他化學化合物的電化學反應的具有先進架構的反應器”的申請的分案申請。

相關申請的交叉引用

本申請要求于2016年5月3日提交的美國臨時申請第62/331,387號的權益，該美國臨時申請通過此引用以其整體并入。

技術領域

本公開內容大體上涉及電化學反應領域，并且更具體地，涉及用于將CO_x(CO₂、CO、或其組合)電化學還原為含碳的化學化合物的裝置和方法。

背景

人為CO₂排放已經與氣候變化有關。

作為對關于全球溫室氣體排放的日益增加的擔憂的反應，可以將CO₂再循環為高價值的產品的技術已經受到日益增加的關注。

CO_x(CO₂、CO、或其組合)的電化學還原僅組合了三個輸入：CO_x、質子的來源、和電力，并且將它們轉化為燃料和化學品，例如甲醇、乙醇、一氧化碳或乙酸。然而，一直不可能實現這樣的燃料和化學品的工業規模的生產。關鍵障礙之一是缺乏合適的電化學反應器。實現具有高生產率的高效反應器設計的最大障礙是由于CO_x在水溶液中的低溶解度而導致在反應器中CO_x向催化劑表面的不良傳輸和不能控制導致氫氣產生的競爭性水還原反應。

概述

本公開內容描述了用于還原CO_x的新的電化學反應器，其克服了該障礙。與溶解在水中的CO_x相反，氣相CO_x被進料至反應器，以實現更好的傳輸和高的產品生產率。圍繞CO_x轉化催化劑的離子導電聚合物最小化競爭性氫形成反應。反應器具有高能量效率、高電流密度、快速響應時間和被證明的魯棒性，同時還提供在其可以生產的化學產品種類方面上的靈活性。

在本發明的一個實施方案中，提供了用于在CO_x還原反應器中使用的膜電極組件(MEA)。MEA具有包含還原催化劑和第一離子導電聚合物的陰極層和包含氧化催化劑和第二離子導電聚合物的陽極層。在陽極層和陰極層之間存在包含第三離子導電聚合物的聚合物電解質膜。聚合物電解質膜提供在陽極層和陰極層之間的離子連通。在陰極層和聚合物電解質膜之間還存在包含第四離子導電聚合物的陰極緩沖層，即陰極緩沖劑。存在三類離子導電聚合物：陰離子導體、陽離子導體、以及陽離子和陰離子導體。第一離子導電聚合物、第二離子導電聚合物、第三離子導電聚合物和第四離子導電聚合物中的至少兩種來自不同類別的離子導電聚合物。

在一種布置中，還原催化劑選自由以下組成的組：V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Sn、Zr、Nb、Mo、Au、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Hg、Al、Si、In、Ga、Tl、Pb、Bi、Sb、Te、Sm、Tb、Ce、和Nd、及其組合。還原催化劑還可以包括選自由以下組成的組的導電載體顆粒(conductive support particle)：碳、硼摻雜的金剛石、氟摻雜的氧化錫、及其組合。