[发明专利]用于二氧化碳、一氧化碳和其他化学化合物的电化学反应的具有先进架构的反应器

说明书

本申请涉及用于二氧化碳、一氧化碳和其他化学化合物的电化学反应的具有先进架构的反应器。已经开发了一种平台技术，该平台技术在COsubgt;x/subgt;还原反应器中使用新颖的膜电极组件，所述膜电极组件包括阴极层、阳极层、被布置在阴极层和阳极层之间的膜层，所述膜导电地连接阴极层和阳极层。反应器可以用于由二氧化碳和其他含碳气体合成宽范围的碳基化合物。

本申请是申请日为2017年05月03日，申请号为201780035746.8，发明名称为“用于CO₂、CO和其他化学化合物的电化学反应的具有先进架构的反应器”的申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年5月3日提交的美国临时申请第62/331,387号的权益，该美国临时申请通过此引用以其整体并入。

技术领域

本公开内容大体上涉及电化学反应领域，并且更具体地，涉及用于将CO_x(CO₂、CO、或其组合)电化学还原为含碳的化学化合物的装置和方法。

背景

人为CO₂排放已经与气候变化有关。

作为对关于全球温室气体排放的日益增加的担忧的反应，可以将CO₂再循环为高价值的产品的技术已经受到日益增加的关注。

CO_x(CO₂、CO、或其组合)的电化学还原仅组合了三个输入：CO_x、质子的来源、和电力，并且将它们转化为燃料、化学品和其他产品，例如甲醇、乙醇、一氧化碳和乙酸。然而，一直不可能实现这样的燃料和化学品的工业规模的生产。一个障碍是缺乏合适的电化学反应器。使用常规设计实现高效反应器的一个困难是由于CO_x在水溶液中的低溶解度而导致在反应器中CO_x向催化剂表面的不良传输和不能控制导致氢气产生的竞争性水还原反应。

概述

本公开内容描述了新的和有用的用于还原CO_x的电化学反应器，其解决了常规反应器的上述缺点。与溶解在水中的CO_x相反，气相CO_x可以被供应至反应器，以实现有效的传输和产品生产率。围绕CO_x转化催化剂的离子导电聚合物最小化竞争性氢形成反应。反应器具有高能量效率、高电流密度、快速响应时间和鲁棒性，同时还提供在其可以生产的化学产品的种类方面上的灵活性。

在本发明的一个实施方案中，提供了用于在CO_x还原反应器中使用的膜电极组件(MEA)。MEA具有包含还原催化剂和第一离子导电聚合物的阴极层和包含氧化催化剂和第二离子导电聚合物的阳极层。在阳极层和阴极层之间存在包含第三离子导电聚合物的聚合物电解质膜。聚合物电解质膜提供在阳极层和阴极层之间的离子连通。在阴极层和聚合物电解质膜之间还存在包含第四离子导电聚合物的阴极缓冲层，即阴极缓冲剂。存在三类离子导电聚合物：阴离子导体、阳离子导体、以及阳离子和阴离子导体。第一离子导电聚合物、第二离子导电聚合物、第三离子导电聚合物和第四离子导电聚合物中的至少两种来自不同类别的离子导电聚合物。

在一种布置中，还原催化剂选自由以下组成的组：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、及其组合、和/或任何其他合适的还原催化剂。还原催化剂还可以包括选自由以下组成的组的导电载体颗粒(conductive support particle)：碳、硼掺杂的金刚石、氟掺杂的氧化锡、及其组合、和/或任何其他合适的还原催化剂。

在一种布置中，阴极层包含在10wt％和90wt％之间的第一离子导电聚合物。第一离子导电聚合物可以包括至少一种为阴离子导体的离子导电聚合物。