[发明专利]用于燃料生产的方法和系统

说明书

本公开内容提供了用于通过电化学还原从包含含碳材料(例如，二氧化碳)的流体流中生产碳产物的系统和方法。本公开内容的电化学还原系统和方法可以包括用于分离和催化过程的微结构或纳米结构的膜。电化学还原系统和方法可以利用可再生能源来产生包含一个或多个碳原子的碳产物(C1+产物)，诸如燃料。这可以在基本上低(或接近零)的净负碳排放下进行。

交叉引用

本申请要求于2018年12月18日提交的美国临时专利申请号62/781,149以及于2019年7月3日提交的美国专利申请号16/503,165的权益，这些申请中的每一个出于所有目的各自通过引用而整体并入本文。

背景技术

大气中诸如一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂)的含碳化合物的含量不断增加。含碳化合物含量的这种增加可能会对全球温度产生不利影响，从而导致全球变暖。

发明内容

本文认识到对从非石油来源生产燃料和其他化学商品的有效方法的需求增加。这种方法可以利用一氧化碳(CO)和/或二氧化碳(CO₂)作为生产有机分子的碳源，以最小化生产和消耗所生产的燃料和化学品的碳足迹。耐用化学产物(例如，聚合物)的生产甚至可能为使用大气一氧化碳和/或二氧化碳生产的产物产生净碳汇。

一方面，提供一种用于产生包含一个或多个碳原子的碳产物(C1+产物)的系统，其包括第一隔室、第二隔室以及分离单元，其分离所述第一隔室和所述第二隔室，其中所述分离单元包括(i)阳极，(ii)阴极和(iii)包括多个孔的膜，其中所述多个孔被配置用于使所述第一隔室与所述第二隔室流体连通，其中所述阴极和所述阳极被配置为在所述阴极和所述阳极之间施加电压的同时，将所述含碳材料在所述第一隔室中还原为所述C1+产物，以及其中所述多个孔被配置为将所述C1+产物从所述第一隔室引导到所述第二隔室。

在一些实施方案中，所述系统还包括与所述第一隔室流体连通的气体接触器，其中所述气体接触器被配置为使所述含碳材料与水接触以产生包含所述含碳材料的溶液。在一些实施方案中，所述膜包括一种或多种选自碳纳米管、碳纳米球、碳纳米洋葱、石墨烯和多孔热解碳的材料。

在一些实施方案中，所述阴极还包含催化剂。在一些实施方案中，所述催化剂包括金属纳米颗粒。在一些实施方案中，所述金属纳米颗粒包括选自铜、镍、铂、铱、钌、钯、锡、银和金的金属。在一些实施方案中，催化剂是N掺杂的。

在一些实施方案中，系统还包括经配置以供应所述电压的电压源。在一些实施方案中，所述电压源包括可再生电源。在一些实施方案中，所述电压源包括一个或多个选自光伏电源、风力电源、地热电源、水力电源、潮汐电源和核能电源的成员。

在一些实施方案中，所述系统还包括在所述阴极和所述阳极之间的离子交换膜。

在一些实施方案中，所述系统被配置为对所述C1+产物具有至少约70％的单程选择性。

在一些实施方案中，所述多个孔中的孔具有小于或等于约5微米的孔径。在一些实施方案中，孔径小于或等于约500纳米。在一些实施方案中，孔径小于或等于约100纳米。在一些实施方案中，孔径小于或等于约50纳米。在一些实施方案中，孔径小于或等于约10纳米。在一些实施方案中，孔径小于或等于约5纳米。

在一些实施方案中，所述C1+产物包含一个或多个选自甲醇、乙醇、丙醇和丁醇的成员。

在一些实施方案中，第一隔室包括阴极，且第二隔室包括阳极。在一些实施方案中，第一隔室包括阴极和膜。在一些实施方案中，分离单元还包括提取器。在一些实施方案中，提取器包括第二隔室和膜。