二氧化碳转化至有机产物制造技术

本发明专利技术涉及一种用于还原ＣＯ２的环保有益方法的不同的实施方式。本发明专利技术所述的方法包括在分离的电化学电池中电化学或光电化学还原ＣＯ２，所述分离的电化学电池包括位于一个电池隔室内的阳极，如惰性金属反电极，以及位于另一个电池隔室内的金属或ｐ型半导体阴极电极，该另一个电池隔室内包含电解质水溶液和一种或多种被取代或未被取代的芳香胺催化剂，以在那里产生还原的有机产物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】二氧化碳转化至有机产物相关申请交叉引用本申请主张2009年1月四日提交的美国临时申请号61/206，286的优先权，其通过引用结合到本文中。政府支持申明本专利技术是利用由来自自然科学基金会拨款号CHE-0606475的美国政府支持做出的。美国政府在该专利技术中具有某些权利。介绍近年来，大气中二氧化碳(CO2)的含量升高，例如从工业、化石燃料燃烧和公用设施等排放的大量二氧化碳已经关系到全球气候变化。由二氧化碳引起的温室效应是全球变暖的一个重要原因。许多负责源称地球的大气条件是这样的，为避免和预防全球变暖所带来的可怕后果，减少大气中现有的二氧化碳，以及减少新的二氧化碳的排放是非常必要的。已经提出了很多方法来减少二氧化碳，除了节约能源，碳捕获和储存，从排放源头分离二氧化碳，运送到一个长期(无限期)隔离的存储位置，在地下永久地储存二氧化碳， 以上已经囊括了几种重要的方法。然而，这些技术都面临重大挑战，到目前还远未达到良好效益。此外，隔离存在严重的环境问题、法律和监管问题，因在地下长期储存二氧化碳会有未知的后果。从大气中去除二氧化碳存在一个重要的问题是需要非常大的能量输入，以克服分离和集中弥漫气体相关的熵能量。如上所述，对于从大气中清除二氧化碳目前的战略要么是效率低下，成本高昂，或产生有害的副产物，如氯气。为降低全球二氧化碳水平和减少新的二氧化碳排放量，开发一种在经济上可行的去除二氧化碳的方法是非常重要的。简述按照本专利技术的实施例，提供一种电催化系统，允许二氧化碳在水溶液中在非常适度超电势下转化至高度还原基团。换句话说就是，在温和条件下水溶液中利用很小的能量形成碳-碳键和C碳-氢键。在一些实施例中，根据所述系统如何实施，所需的能量输入可以来自任何一种可替代能源或直接利用可见光。在本专利技术的实施例中，二氧化碳还原反应是在适当的芳香杂环胺催化作用下发生，例如，吡啶、咪唑及它们的取代衍生物。这些简单的有机化合物被发现提供有效和稳定的均相电催化剂和光电催化剂，用于二氧化碳的水合多电子、多质子还原至有机产物，如甲酸、甲醛和甲醇。对于产物甲醇，二氧化碳的还原沿着6个负电子转移路径进行。在低反应过电势下在电化学和光电化学系统中已发现还原产物高电解产率。以前曾认为源自金属的多电子转移是获得诸如甲醇高度还原产物的必须。出人意料的是，本专利技术所述的简单的芳香杂环胺分子也能通过多电子转移而不是金属基多电子转移在制得甲醇过程中产生许多不同的化学基团。因此，本专利技术涉及环保有益的还原二氧化碳的方法的多个实施例，本专利技术所述的方法包括通过电化学或光电化学在含有电解质水溶液支持的分离的电化学电池中还原二氧化碳，所述分离的电化学电池包括位于一个电池隔室内的阳极，例如惰性金属反电极，以及位于另一个隔室内的金属或P型半导体工作阴极电极并且该隔室包含有一种或多种被取代或未被取代的芳香杂环胺催化剂，以产生被还原的产物。二氧化碳被持续地起泡穿过阴极电解质溶液以使所述溶液饱和。对于电化学还原，电极可以选择任何合适的金属电极，如金，银，锌，钯，镓，汞，铟， 镉，钛和钼，其中钼和氢化钯被认为是尤其合适的。对于光电化学还原，电极可选择P型半导体，如 P-GaAs> P-GaP> p-InN、p-InP、p-CdTe、P-GaInP2 或 p-Si。电化学或光电化学还原二氧化碳所需的催化剂可以选择任何被取代或未被取代的芳香杂环胺，合适的胺是至少含有一个氮环的五元或六元环的杂环。例如，吡啶、咪唑以及它们被取代的衍生物，是特别适合作为电化学还原或光电化学还原的催化剂。预想到其它的芳香胺，如喹啉，也是有效的电催化剂。附图简述通过参考结合附图此处所示的具体实施例的详细描述，可以对本专利技术更好地理解和领会。附图说明图1是本专利技术具体实施例所述的二氧化碳的电化学还原的流程图；图2是本专利技术具体实施例所述的二氧化碳的光电化学还原的流程图。详细描述本专利技术实施例涉及简单、高效、经济可行的二氧化碳至还原的诸如甲醇、甲酸和甲醛的有机产物的转化。以前公知电化学或光电化学还原二氧化碳只是产生少量的具有甲醛和甲醇的甲酸。也公知二氧化碳通过非均相催化剂的催化加氢得到甲醇与水以及甲酸和甲醛。也公知二氧化碳还原产生的甲醇带有复杂的金属氢化物，如氢化铝锂，这个过程极其昂贵，因此， 对于大量的甲醇生产来说并不适合。目前现有的技术都是高耗能，低产率，并不是用来将二氧化碳经济性地转化为例如甲醇的有机产物的有效方法。另一方面，本专利技术所述的用于将二氧化碳转化为还原的有机产物的方法的用途潜在地导致大气中的主要温室气体二氧化碳显著减少，从而减轻全球变暖。此外，本专利技术产生甲醇及相关产物二无需氢气源等额外的反应物。由此生成产物混合物不需要进行进一步的处理。例如，由此生成物IM甲醇溶液可直接用于燃料电池。对于其他用途，电解质盐和水的去除也很容易实现。在详细说明本专利技术的任何实施例之前，应该理解本专利技术不限于下文描述或所附图中所示的其申请的详细的结构或功能。本专利技术能够有其它实施例并能够以不同方法实践或实施。此外，应该理解此处所用的措辞和术语是为了说明的目的，而不应该被认为是限制。 术语的实使用，如“包含”、“包括”或“具有”及其变体此处意为包含其后列出的项目和其等价体以及附加项目。除非另有说明，技术术语按常规使用。除非另有说明，技术术语按常规使用。标准化学术语的定义可以在参考著作中发现，如凯里和桑德伯格“高级有机化学第4版”卷M2000)和B(2001)，普莱南(Plenum)出版社，纽约。除非另有说明，使用本
常规的质谱仪、核磁共振、分光光度测定法和气相色谱法。此处所述的与实验室规程以及电化学、分析化学和合成有机化学技术相关使用的术语通常为本领域所熟知。然而，这如此处所用，下述定义有助于帮助熟练从业者理解本专利技术。“烷基”基团指脂肪族烃基团。烷基基团可以是“饱和烷基”基团(即无烯烃或炔烃基)，或“不饱和烷基”基团，这意味着它至少包含一个烯烃或炔烃基。基团的烷基无论饱和或不饱和，可以是支链、直链或环。根据不同的结构，烷基基团可以是单自由基或双自由基 (即，烯烃基基团)。此处所使用的是指定C1-Cx,其包括CfC^C1-C3, C1-C4.. . C「C1Q. .. c「cx。“烷基”基团可有1到30个碳原子(无论何时此处出现的数字范围，如“1-30”指给定范围的每一个整数；例如“1-30”个碳原子意思是烷基基团可以1个碳原子、2个碳原子、3个碳原子等，高达包含30个碳原子，尽管本定义也覆盖了术语“烷基”没有指定数字范围的地方。“低烷基”基团可有1到10个碳。例如，此处所述的低烷基基团化合物可以指定为"C1-Cltl烷基”或类似指定。仅仅通过例子，"C1-C10烷基”包括C1-C2烷基、C1-C3烷基、 C1-C4... C1-C10烷基。典型的低烷基基团包括但不限于甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、戊基、己基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、环丙基、环丁基、环戊基、环己基、庚基、 辛基、壬基和癸基。低烷基基团能被取代或未被取代。术语“芳香族”指具有包含如+2(11是一整数)个Π电子的非定域的Π电子体系的平面环。芳香环能够由5、6、7、8、9或9个以上的原子形成。芳香族可以任意被取代。术语“芳香族”包括碳环芳基本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种转化二氧化碳以提供至少一种产物的方法，包括在一分离的电化学电池中还原二氧化碳，所述分离的电化学电池包括位于一个电池隔室中的阳极和位于另一个电池隔室中的阴极以及一种或多种被取代或未被取代的芳香杂环胺，但所述胺不是未被取代的吡啶，每一隔室包含一电解质的水溶液。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁·B·波卡斯利，
申请(专利权)人：普林斯顿大学，
类型：发明
国别省市：US