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制造技术

已经开发了一种平台技术，该平台技术在COx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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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政府支持的声明根据Opus12,Incorporated和加州大学董事会(TheRegentsoftheUniversityofCalifornia)之间的用户协议FP00003032，政府在本专利技术中具有权利，该用户协议根据第DE-AC02-05CH11231号合同管理和操作美国能源部(USDepartmentofEnergy)欧内斯特劳伦斯伯克利国家实验室(ErnestOrlandoLawrenceBerkeleyNationalLaboratory)。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。
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COx(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。COx(CO2、CO、或其组合)的电化学还原仅组合了三个输入：COx、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COx在水溶液中的低溶解度而导致在反应器中COx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。本公开内容描述了新的和有用的用于还原COx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COx相反，气相COx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COx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。附图简述当结合附图阅读时，前述方面及其他方面将依据例证性实施方案的以下描述被技术人员容易地理解。图1示出了在常规水电解反应器中使用的标准膜电极组件，其制造氢气和氧气。图2是根据本专利技术的实施方案的用于在新的COx还原反应器(CRR)中使用的膜电极组件的示意图。图3是示出了根据本专利技术的实施方案的用于被负载在催化剂载体颗粒(catalystsupportparticle)上的两种不同种类的催化剂的可能的形态的示意图。图4是根据本专利技术的另一个实施方案的用于在新的CRR中使用的膜电极组件的示意图。图5是示出了根据本专利技术的又另一个实施方案的用于在新的CRR中使用的膜电极组件的示意图。图6是示出了根据本专利技术的实施方案的COx还原反应器(CRR)的主要部件的示意图。图7是示出了根据本专利技术的一个实施方案的CRR的主要部件的示意图，其中箭头示出了分子、离子和电子的流动。图8是示出了CRR反应器的主要输入和输出的示意图。概述在本专利技术的一个实施方案中，提供了用于在COx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(conductivesupportparticle)：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。第一离子导电聚合物可以包含一个或更多个共价结合的、带正电荷的官能团，该官能团被配置为传输可移动的带负电荷的离子。第一离子导电聚合物可以选自由以下组成的组：胺化的四甲基聚亚苯基；基于聚(乙烯-共-四氟乙烯)的季铵聚合物；季铵化聚砜、其共混物、和/或任何其他合适的离子导电聚合物。第一离子导电聚合物可以被配置为增溶碳酸氢盐或氢氧化物。第一离子导电聚合物可以包括至少一种为阳离子和阴离子导体的离子导电聚合物。第一离子导电聚合物可以选自由可以传输阳离子和阴离子的聚醚以及可以传输阳离子和阴离子的聚酯组成的组。第一离子导电聚合物可以选自由聚环氧乙烷、聚乙二醇、聚偏二氟乙烯和聚氨酯组成的组。在一种布置中，氧化催化剂选自由以下组成的组：Ir、Pt、Ni、Ru、Pd、Au、及其合金、IrRu、PtIr、Ni、NiFe、不锈钢、及其组合的金属和氧化物、和/或任何其他合适的金属或金属氧化物。氧化催化剂还可以包含选自由碳、硼掺杂的金刚石和钛组成的组的导电载体颗粒。在一种布置中，阳极层包含在5wt％和95wt％之间的第二离子导电聚合物。第二离子导电聚合物可以包括至少一种为阳离子导体的离子导电聚合物。第二离子导电聚合物可以包括一种或更多种聚合物，所述一种或更多种聚合物包含共价结合的、带负电荷的官能团，该官能团被配置为传输可移动的带正电荷的离子。第二离子导电聚合物可以选自由以下组成的组：乙烷磺酰氟、2-[1-[二氟-[(三氟乙烯基)氧基]甲基]-1,2,2,2-四氟乙氧基]-1,1,2,2-四氟-、与四氟乙烯、四氟乙烯-全氟-3,6-二氧杂-4-甲基-7-辛烯磺酸共聚物、其他全氟磺酸聚合物、其共混物、和/或任何其他合适的离子导电聚合物。在一种布置中，第三离子导电聚合物包括至少一种为阳离子导体的离子导电聚合物。第三离子导电聚合物可以包含一个或更多个共价结合的、带负电荷的官能团，该官能团被配置为传输可移动的带正电荷的离子。第三离子导电聚合物可以选自由以下组成的组：乙烷磺酰氟、2-[1-[二氟-[(三氟乙烯基)氧基]甲基]-1,2,2,2-四氟乙氧基]-1,1,2,2-四氟-、与四氟乙烯、四氟乙烯-全氟-3,6-二氧杂-4-甲基-7-辛烯磺酸共聚物、其他全氟磺酸聚合物、其共混物、和/或任何其他合适的离子导电聚合物。在一种布置中，阴极缓冲层具有在0.01％和95％之间(例如，按重量计、按体积计、按质量计等，约在……之间)的孔隙率。然而，在其他布置中，阴极缓冲层可以具有任何合适的孔隙率(例如，在0.01％-95％、0.1％-95％、0.01％-75％、1％-95％、1％-90％等之间)。在一种布置中，第四离子导电聚合物包括至少一种为阴离子导体的离子导电聚合物。第四离子导电聚合物可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种膜电极组件，所述膜电极组件包括：·阴极层，所述阴极层包含还原催化剂和第一阴离子导电聚合物；·阳极层，所述阳极层包含氧化催化剂和第一阳离子导电聚合物；·膜层，所述膜层包含第二阳离子导电聚合物，所述膜层被布置在所述阴极层和所述阳极层之间，所述膜导电地连接所述阴极层和所述阳极层；和·阴极缓冲层，所述阴极缓冲层具有在按体积计约0.01％和95％之间的第一孔隙率，所述阴极缓冲层包含第二阴离子导电聚合物，其中所述阴极缓冲层被布置在所述阴极层和所述膜层之间并且导电地连接所述阴极层和所述膜层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.03 US 62/331,3871.一种膜电极组件，所述膜电极组件包括：·阴极层，所述阴极层包含还原催化剂和第一阴离子导电聚合物；·阳极层，所述阳极层包含氧化催化剂和第一阳离子导电聚合物；·膜层，所述膜层包含第二阳离子导电聚合物，所述膜层被布置在所述阴极层和所述阳极层之间，所述膜导电地连接所述阴极层和所述阳极层；和·阴极缓冲层，所述阴极缓冲层具有在按体积计约0.01％和95％之间的第一孔隙率，所述阴极缓冲层包含第二阴离子导电聚合物，其中所述阴极缓冲层被布置在所述阴极层和所述膜层之间并且导电地连接所述阴极层和所述膜层。2.如权利要求1所述的膜电极组件，还包括阳极缓冲层，所述阳极缓冲层包含第三阳离子导电聚合物，所述阳极缓冲层被布置在所述膜层和所述阳极层之间。3.如权利要求2所述的膜电极组件，其中所述第二阳离子导电聚合物和第三阳离子导电聚合物包括全氟磺酸(PFSA)聚合物，并且其中所述阳极缓冲层具有在按体积计约0.01％和95％之间的第二孔隙率。4.如权利要求2所述的膜电极组件，其中所述阴极缓冲层还包含惰性填料颗粒，其中所述第一孔隙率由所述惰性填料颗粒形成。5.如权利要求4所述的膜电极组件，其中所述惰性填料颗粒包括金刚石颗粒、硼掺杂的金刚石颗粒、聚偏二氟乙烯(PVDF)颗粒、和聚四氟乙烯(PTFE)颗粒中的至少一种。6.如权利要求4所述的膜电极组件，其中所述惰性填料颗粒中的每个的尺寸在约10纳米和约200纳米之间。7.如权利要求2所述的膜电极组件，其中所述第二阴离子导电聚合物选自由Sustainion、FumaSepFAA-3、和Tokuyama阴离子交换聚合物组成的组。8.如权利要求1所述的膜电极组件，其中所述第一阴离子导电聚合物和所述第二阴离子导电聚合物包括Sustainion。9.一种膜电极组件，所述膜电极组件包括：·阴极层，所述阴极层包含还原催化剂和第一阴离子导电聚合物；·阳极层，所述阳极层包含氧化催化剂和第一阳离子导电聚合物；·膜层，所述膜层包含第二阴离子导电聚合物，所述膜层被布置在所述阴极层和所述阳极层之间，所述膜导电地连接所述阴极层和所述阳极层；和·阳极缓冲层，所述阳极缓冲层包含第二阳离子导电聚合物，其中所述阳极缓冲层被布置在所述阳极层和所述膜层之间并且导电地连接所述阳极层和所述膜层。10.如权利要求9所述的膜电极组件，其中所述膜层具有在按体积计约0.01％和95％之间的第一孔隙率。11.如权利要求10所述的膜电极组件，其中所述第二阴离子导电聚合物选自由Sustainion、FumaSepFAA-3、和Tokuyama阴离子交换聚合物组成的组。12.如权利要求10所述的膜电极组件，还包括阴极缓冲层，所述阴极缓冲层具有在按体积计约0.01％和95％之间的第二孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：肯德拉·P·库尔，埃托沙·R·卡夫，乔治·伦纳德，
申请(专利权)人：欧普斯一二公司，
类型：发明
国别省市：美国,US