电解池和薄膜制造技术

一种电化学装置将CO2转化成各种产物，如CO、HCO‑、H2CO、(HCO2)‑、H2CO2、CH3OH、CH4、C2H4、CH3CH2OH、CH3COO、CH3COOH、C2H6、(COOH)2、(COO‑)2、H2C＝CHCOOH和CF3COOH。该装置由阳极、阴极和辅助薄膜组成。在一些实施方案中，该装置也可以含有催化活性元素。在一些实施方案中，该装置在3.0V的池电压能够达到高于50％的法拉第效率和高于20mA/cm2的CO2转化电流密度。在一些实施方案中，辅助薄膜包含含有咪唑鎓配体、吡啶鎓配体或鏻配体的聚合物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】政府利益的声明本专利技术至少部分由美国政府根据ARPA-E合同号DE-AR-0000345支持和由能源部根据合同号DE-SC0004453支持而完成。政府在本专利技术中具有一定的权利。相关申请的交叉引用本申请涉及并要求2014年10月21日提交的美国临时专利申请序列号62/066,823的优先权，并且也要求2015年2月3日提交的名为“电解池和薄膜(Electrolyzer and Membranes)”的国际专利申请号PCT/US2015/14328的优先权。本申请还涉及：2013年9月24日提交的题为“用于将二氧化碳转化成有用燃料和化学品的装置和方法(Devices and Processes for Carbon Dioxide Conversion into Useful Fuels and Chemicals)”的美国专利申请号14/035,935；2010年7月4日提交的题为“新型催化剂混合物(Novel Catalyst Mixtures)”的美国专利申请号12/830,338；2011年3月25日提交的题为“新型催化剂混合物(Novel Catalyst Mixtures)”的国际申请号PCT/2011/030098；2011年6月30日提交的题为“新型催化剂混合物(Novel Catalyst Mixtures)”的美国专利申请号13/174,365；2011年7月1日提交的题为“新型催化剂混合物(Novel Catalyst Mixtures)”的国际专利申请号PCT/US2011/042809；2012年6月21日提交的题为“用于二氧化碳和其他最终用途的传感器(Sensors for Carbon Dioxide and Other End Uses)”的美国专利申请号13/530,058；2012年6月22日提交的题为“低成本二氧化碳传感器(Low Cost Carbon Dioxide Sensors)”的国际专利申请号PCT/US2012/043651；和2012年4月12日提交的题为“用于二氧化碳转化的电催化剂(Electrocatalysts for Carbon Dioxide Conversion)”的美国专利申请号13/445,887。专利
本专利技术的领域是电化学。所述的装置和系统涉及二氧化碳向有用产物的电化学转化、水的电解、燃料电池和电化学水纯化。专利技术背景作为降低全球变暖和保护环境的一种方式，对于减少从工业设施的二氧化碳(CO2)排放存在着需要。一种称为碳螯合的解决方案包括CO2的俘获和储存。通常，将CO2简单地掩埋。如果能够不是简单地掩埋或储存CO2而是取而代之可以将它转化成其他产物并用于有益的用途，会是有益的。多年来，已经提出了大量电化学方法，用于将CO2向有用的产物的转化。在以下文献中讨论了这些方法中的一些和它们相关的催化剂：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；美国专利申请公开号2008/0223727；Hori,Y.,“在金属电极上的电化学CO2还原(Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes)”,Modern Aspects of Electrochemistry 42(2008),第89-189页；Gattrell,M.等“在铜上CO2向烃的水性电化学还原的回顾(A review of the aqueous electrochemical reduction of CO2 to hydrocarbons at copper)”,Journal of Electroanalytical Chemistry 594(2006),第1-19页；和DuBois,D.,电化学百科全书(Encyclopedia of Electrochemistry),7a,Springer(2006),第202-225页。多年来，使用用于化学转化的电化学池的方法已是已知的。通常，电化学池含有阳极、阴极和电解质。可以在阳极、阴极上和/或电解质中放置催化剂，以促进想要的化学反应。在操作期间，将反应物或含有反应物的溶液进料至池中。随后在阳极和阴极之间施加电压，以促进想要的电化学反应。当使用电化学池作为CO2转化系统时，将包含CO2、碳酸盐或碳酸氢盐的反应物进料至池中。向池施加电压，并且CO2反应以形成新的化学化合物。已经将若干不同的池设计用于CO2转化。大多数早期工作在阳极和阴极之间使用液体电解质，而晚些的科学论文讨论使用固体电解质。美国专利号4,523,981；4,545,872；和4,620,906公开了固体聚合物电解质薄膜(典型地，阳离子交换薄膜)的用途，其中阳极和阴极由阳离子交换薄膜隔开。此技术的更近期的实例包括美国专利号7,704,369；8,277,631；8,313,634；8,313,800；8,357,270；8,414,758；8,500,987；8,524,066；8,562,811；8,568,581；8,592,633；8,658,016；8,663,447；8,721,866；和8,696,883。在这些专利中，与阴极接触地使用液体电解质。Prakash,G.,等的“用于燃料电池类装置的在Sn-Nafion覆盖的电极上的CO2的电化学还原(Electrochemical reduction of CO2over Sn-Nafion coated electrode for a fuel-cell-like device)”,Journal of Power Sources 223(2013),第68-73页(“PRAKASH”)讨论了在阳离子交换薄膜型CO2电解池中使用无液体阴极(liquid free cathode)的优点，虽然它并没有教导无液体阴极。相反，在PRAKASH中讨论的实验中，将液体溶液进料到阴极中。在无液体阴极电解池中，在电解期间没有大量的液体与阴极直接接触，不过，可以在阴极上或阴极中有薄的液体膜。此外，可以用液体对阴极进行不经常的洗涤或再水化。使用无液体阴极的优点包括更好的CO2传质和减少的寄生电阻。Dewolf,D.等的“在Cu/Nafion电极(固体聚合物电解质结构体)处CO2向CH4和C2H4的电化学还原(The electrochemical reduction of CO2 to CH4and C2H4 at Cu/Nafion electr本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将CO2转化成反应产物的电化学装置，所述电化学装置包含：(a)阳极；(b)阴极；和(c)插入到所述阳极和所述阴极之间的聚合物电解质薄膜，其中所述聚合物电解质薄膜的至少一部分是可通过应用包括以下步骤的试验鉴定的辅助薄膜：(1)制备阴极，所述阴极包含6mg/cm2的在碳纸气体扩散层上的银纳米粒子；(2)制备阳极，所述阳极包含3mg/cm2的在碳纸气体扩散纸上的RuO2；(3)制备聚合物电解质薄膜试验材料；(4)将所述薄膜试验材料插入到所述阳极和所述阴极之间，阴极的上面布置有银纳米粒子的一侧朝向所述薄膜的一侧，并且所述阳极的上面布置有RuO2的一侧朝向所述薄膜的另一侧，从而形成薄膜电极组装件；(5)将所述薄膜电极组装件安装在具有阴极和阳极反应物流体流动通道的燃料电池结构中；(6)在所述燃料电池结构处于室温和大气压的同时，在阳极反应物流体流动通道保持对在室温和室压的大气开放的情况下，将处于50℃的湿润的CO2的流导入到朝向所述阴极的阴极反应物流体流动通道中；(7)经由在所述阳极和所述阴极之间的电连接施加3.0V的池电势；(8)测量跨过所述池的电流和在所述阴极流动通道的出口处的CO和H2的浓度；(9)如下计算CO选择性：以及(10)如果在3.0V的池电势，在所述薄膜处的平均电流密度为至少20mA/cm2且所述选择性为至少50％，则将所述薄膜鉴定为辅助薄膜。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.21 US 62/066,823;2015.02.03 US PCT/US2015/1.一种用于将CO2转化成反应产物的电化学装置，所述电化学装置包含：(a)阳极；(b)阴极；和(c)插入到所述阳极和所述阴极之间的聚合物电解质薄膜，其中所述聚合物电解质薄膜的至少一部分是可通过应用包括以下步骤的试验鉴定的辅助薄膜：(1)制备阴极，所述阴极包含6mg/cm2的在碳纸气体扩散层上的银纳米粒子；(2)制备阳极，所述阳极包含3mg/cm2的在碳纸气体扩散纸上的RuO2；(3)制备聚合物电解质薄膜试验材料；(4)将所述薄膜试验材料插入到所述阳极和所述阴极之间，阴极的上面布置有银纳米粒子的一侧朝向所述薄膜的一侧，并且所述阳极的上面布置有RuO2的一侧朝向所述薄膜的另一侧，从而形成薄膜电极组装件；(5)将所述薄膜电极组装件安装在具有阴极和阳极反应物流体流动通道的燃料电池结构中；(6)在所述燃料电池结构处于室温和大气压的同时，在阳极反应物流体流动通道保持对在室温和室压的大气开放的情况下，将处于50℃的湿润的CO2的流导入到朝向所述阴极的阴极反应物流体流动通道中；(7)经由在所述阳极和所述阴极之间的电连接施加3.0V的池电势；(8)测量跨过所述池的电流和在所述阴极流动通道的出口处的CO和H2的浓度；(9)如下计算CO选择性：以及(10)如果在3.0V的池电势，在所述薄膜处的平均电流密度为至少20mA/cm2且所述选择性为至少50％，则将所述薄膜鉴定为辅助薄膜。2.权利要求1所述的电化学装置，其中所述聚合物电解质薄膜完全是辅助薄膜。3.权利要求1所述的电化学装置，其中当基本上无液体地操作所述阴极使得在电解期间没有大量液体与所述阴极直接接触时，向着想要的反应产物的法拉第效率高于50％。4.权利要求1所述的电化学装置，其中所述辅助薄膜包含含有咪唑鎓配体、吡啶鎓配体和鏻配体中的至少一种的聚合物。5.权利要求1所述的电化学装置，其中所述阳极具有朝向所述薄膜的催化剂涂层，并且所述阴极具有朝向所述薄膜的催化剂涂层。6.权利要求1所述的电化学装置，其中所述聚合物电解质薄膜是基本上不可混溶在水中的。7.权利要求1所述的电化学装置，其中所述反应产物选自由以下各项组成的组：CO、...

【专利技术属性】
技术研发人员：里奇·马塞尔，陈清玫，刘增彩，罗伯特·库茨，
申请(专利权)人：二氧化碳材料公司，
类型：发明
国别省市：美国;US