用于合成氨的电化学电池制造技术

一种电化学电池(10)包括四个体积(1、2、3、4)。一个多孔阳极(5)被提供在第一体积(1)与第二体积(2)之间。一个接地电极(6)被提供在第二体积(2)与第三体积(3)之间。一个多孔阴极(7)被提供在第三体积(3)与第四体积(4)之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于合成氨的电化学电池
本专利技术涉及电化学电池，特别是用于合成氨NH3的混合电化学电池。
技术介绍
针对合成氨的要求的多种已知方法包括：(1)哈伯-博施法——在一种铁催化剂之上对N2和H2加压和加热；(2)利用一种熔盐电解质和多个气体电极的电化学合成[1-3]；以及(3)利用一种固体电解质和多个电催化电极的电化学合成[4-6]。[1]MurakamiT.,T.Nishikiori,T.Nohira和Y.Ito,“ElectrolyticSynthesisofAmmoniainMoltenSaltsUnderAtmosphericPressure”,J.Amer.Chem.Soc.125(2),pp.334-335(2003)。[2]MurakamiT.等人，“ElectrolyticAmmoniaSynthesisfromWaterandNitrogenGasinMoltenSaltUnderAtmosphericPressure”,Electrochim.Acta50(27),pp.5423-5426(2005)。[3]美国专利6,881,308B2[4]Marnellos,G.,Zisekas,S.和Stoukides,M.(2000).Synthesisofammoniaatatmosphericpressurewiththeuseofsolidstateprotonconductors.J.Catal.193,80-88.doi:10.1006/jcat.2000.2877[5]Lan,R.,Irvine,J.T.S.和Tao,S.(2013).Synthesisofammoniadirectlyfromairandwateratambienttemperatureandpressure.Sci.Rep.3,1145.doi:10.1038/srep01145[6]Skodra,A.和Stoukides,M.(2009).Electrocatalyticsynthesisofammoniafromsteamandnitrogenatatmosphericpressure.SolidStateIonics180,1332-1336.
技术实现思路
本专利技术力求提供用于由水和氮气N2合成氨的多种替代性方法和装置。相应地，本专利技术提供了如所附多个权利要求所限定的多种方法和装置。附图说明结合所附多个权利要求，本专利技术的上述和另外的多个目的、多个特征和多个优点将从对其某些实施例的以下描述中变得更加明显，其中：-图1图示了由本专利技术的一个实施例提供的一个示例性电化学电池。具体实施方式图1所示的本专利技术的实施例包括一个电化学电池10，该电化学电池10具有四个分割体积1-4。第一体积是一个第一室1。在使用中，H2O蒸汽被引入到该第一室中。第二体积是一个第二室2，其包括一个固态质子导体。用于该第二室2的一些可能的质子传导材料包括Y掺杂的BaZrO3(BZY)或氧化钇稳定的氧化锆(YZS)，但是还可以采用其他质子传导材料。第三体积包括一个氮导体，诸如熔盐低共熔混合物，例如LiCl/KCl/Li3N。氮气N2被引入到第四体积4中。整个电化学电池10可以操作在一个升高的温度下。三个电极5、6、7被提供，并且该三个电极5、6、7在使用中被连接到一个分体式电源8，使得电极5是一个处于通常为0.5V-2V的正电压的阳极；电极6是一个处于0V的接地或虚拟接地，并且电极7是一个处于通常为0.5V-2V的负电压的阴极。该电化学电池10的操作可以如下进行。阳极电极5是一个由电催化剂制成的多孔电极，该多孔电极接纳引入到第一体积1中的H2O蒸汽，并促进如下阳极反应：放出的氧气O2可以作为本专利技术方法的一个副产物而被收集。多个质子H+通过第二体积2中的质子传导电解质被输运到接地电极6。阴极电极7是一个由多孔电催化剂制成的气体电极，该气体电极接纳引入到第四体积4中的氮气N2，并促进如下阴极反应：多个氮离子N3-通过体积3中的氮传导电解质被输运到接地电极6。在该接地电极6处，N3-和H+离子结合形成氨NH3产物，其作为气体被释放并且被收集：接地电极6由适当材料(诸如Ru、Rh或类似物)制成，以便有助于这一反应。本专利技术的电化学电池的结构允许使用H2O蒸汽作为氨产物中的氢源，而不是像通常情况那样在用于合成氨的多个常规方法和装置中使用氢气H2作为氨产物中的氢源。这使得氨NH3的电化学合成能够在不需要单独电解阶段生成氢气H2的情况下进行，或者能够在不需要购买和存储氢气H2的情况下进行，从而产生更加简单的系统设计。本专利技术的电化学电池和附带操作方法的具体特征是：将质子传导电解质和氮传导电解质整合到一个单个系统中。三电极的电化学电池组件10允许：将阳极处水电解生成多个质子H+的多个过程、阴极处氮气还原成多个氮离子N3-的过程、以及接地电极6处的氨形成分离，从而允许单独优化每个过程。优选地，使用具有(虚拟)接地的分体式电源8，以允许多个过程的分离。备选地，可以使用多个单独的电源，一个电源位于阳极5与接地6之间，另一电源位于接地6与阴极4之间。尽管具体参考了由蒸汽和氮气合成氨的应用来描述本专利技术，但是本专利技术的电化学电池和合成方法可以应用于：从第一和第二离子组分来产生其他气态产物。一般而言，提供用于将第一源材料(在上文示例中为蒸汽)引入到第一体积1中的部件，并且提供用于将第二源材料(在上文示例中为氮气)引入到第四体积中的部件；在阳极5与接地电极6之间提供第一电解质；在阴极7与接地电极6之间提供第二电解质。参考接地电极6处的接地电压，电压+V和-V分别被施加给阳极和阴极。在阳极处，第一离子组分(在上文示例中为H+)由第一源材料产生。在阴极处，第二离子组分(在上文示例中为N3-)由第二源材料产生。第一离子组分在阳极与接地电极之间的电压梯度的影响下穿过第一电解质，以到达接地电极。第二离子组分在阴极与接地电极之间的电压梯度的影响下穿过第二电解质，以到达接地电极。第一离子组分和第二离子组分在接地电极处反应，以形成一个产物(在上文示例中为NH3)。应当提供部件来收集该产物。还可以提供部件来收集在阳极或阴极处生成的任何副产物。如对本领域技术人员来说将是明显的，在由所附多个权利要求限定的本专利技术的范围内，另外的修改和变化是可能的。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学电池(10)，包括：四个体积(1、2、3、4)，在第一体积(1)与第二体积(2)之间的一个多孔阳极(5)，在所述第二体积(2)与第三体积(3)之间的一个接地电极(6)，以及在所述第三体积(3)与第四体积(4)之间的一个多孔阴极(7)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.10 GB 1510094.41.一种电化学电池(10)，包括：四个体积(1、2、3、4)，在第一体积(1)与第二体积(2)之间的一个多孔阳极(5)，在所述第二体积(2)与第三体积(3)之间的一个接地电极(6)，以及在所述第三体积(3)与第四体积(4)之间的一个多孔阴极(7)。2.一种用于从第一离子组分和第二离子组分产生一个气态产物的装置，包括：-一个根据权利要求1所述的电化学电池；-用于将第一源材料引入到所述第一体积(1)中的部件；-用于将第二源材料引入到所述第四体积(4)中的部件；-第一电解质，被提供在所述阳极(5)与所述接地电极(6)之间；-第二电解质，被提供在所述阴极(7)与所述接地电极(6)之间。3.根据权利要求2所述的装置，还包括：-至少一个电源(8)，被布置成：相对于所述接地电极(6)的电压向所述阳极(5)施加一个正电压+V，并且相对于所述接地电极的所述电压向所述阴极(7)施加一个负电压-V。4.一种用于通过使用一种根据权利要求3所述的装置来产生一个气态产物的方法，包括以下步骤：-相对于所述接地电极(6)的所述电压，向所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·休斯，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE