[发明专利]催化剂层和电解装置

说明书

用于电化学装置的催化剂层包含催化活性元素和离子导电聚合物。离子导电聚合物包含带正电的环胺基。离子导电聚合物包含以下各项中的至少一种：咪唑吡啶吡唑吡咯烷吡咯嘧啶哌啶吲哚三嗪及其聚合物。催化活性元素包括以下各项中的至少一种：V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Sn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Au、Hg、Al、Si、In、Tl、Pb、Bi、Sb、Te、U、Sm、Tb、La、Ce和Nd。在包括本发明的催化剂层的电解装置中，向电解装置的进料包括CO₂和H₂O中的至少一种。

政府利益声明

本发明至少部分借助ARPA-E合同号DE-AR-0000345和DE-AR0000684的美国政府支持完成。美国政府在本发明中具有一定权利。

发明领域

发明的领域是电化学。所描述的装置、系统和组合物涉及二氧化碳向可用产物的电化学转化、水的电解、使用燃料电池的发电以及电化学净水。

发明背景

作为减少全球变暖和保护环境的方式，存在减少来自工业设施和电厂的二氧化碳(CO₂)排放的需求。一种被称为碳同存(carbon sequestration)的解决方案涉及CO₂的捕获和储存。通常，简单地掩埋CO₂。代替简单地掩埋或储存CO₂将会是有价值的，CO₂可以转化为另一种产物并且用于有益的用途。

多年以来，已经提出了许多电化学过程以用于将CO₂转化为可用产物。在美国专利号3,959,094；4,240,882；4,349,464；4,523,981；4,545,872；4,595,465；4,608,132；4,608,133；4,609,440；4,609,441；4,609,451；4,620,906；4,668,349；4,673,473；4,711,708；4,756,807；4,818,353；5,064,733；5,284,563；5,382,332；5,457,079；5,709,789；5,928,806；5,952,540；6,024,855；6,660,680；6,664,207；6,987,134；7,157,404；7,378,561；7,479,570；美国专利申请公布号2008/0223727；Hori，Y.，“Electrochemical CO2reduction on metal electrodes(在金属电极上的电化学CO2还原)”，Modern Aspects ofElectrochemistry 42(2008)，第89-189页；Gattrell，M.等，“A review of the aqueouselectrochemical reduction of CO2to hydrocarbons at copper(在铜处的CO2向烃的水性电化学还原的综述)”，Journal of Electroanalytical Chemistry 594(2006)，第1-19页；和DuBois，D.，Encyclopedia of Electrochemistry，7a，Springer(2006)，第202-225页中，讨论了这些过程中的一些以及它们的相关催化剂。