CN104718156A - 利用供给至阳极的硫基反应物电化学联产化学物 - Google Patents

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Abstract

本公开包括一种用于从含有阴极的电化学电池第一区生产第一产物和从含有阳极的电化学电池的第二区生产第二产物的系统和方法。该方法可以包括使第一区接触包括二氧化碳的阴极电解液的步骤。该方法可以包括使第二区接触包括硫基反应物的阳极电解液另一步骤。进一步，该方法可包括在阳极和阴极之间施加一电势足以产生自所述第一区可重获的第一产物和自所述第二区可重获的第二产物的步骤。该方法的附加步骤可以包括从第二区移走第二产物和未反应的硫基反应物，并将该未反应的硫基反应物再循环至第二区。

Description

利用供给至阳极的硫基反应物电化学联产化学物
技术领域
本发明一般涉及电化学反应领域，尤其涉及一种利用供给至阳极的硫基或氮基反应物电化学联产化学物的方法和/或系统。
背景技术
在生产活动中，如发电、运输以及生产，化石燃料的燃烧每年都会产生数十亿吨的二氧化碳。自二十世纪七十年代以来的研究表明，大气中二氧化碳浓度的增加可能就是全球气候变化的原因，如海洋pH值的变化以及其它潜在的杀伤效应。世界各国，包括美国，都正在寻找减少二氧化碳排放的方法。
减排的机理是将二氧化碳转化为对经济有用的物质，比如燃料和工业化学品。如果使用再生能源的能量转化二氧化碳，减少二氧化碳的排放和将可再生能源转化为可以被存储以备后用的化学形态都是有可能的。
发明内容
本公开包括一种用于从含有阴极的电化学电池第一区生产第一产物和从含有阳极的电化学电池的第二区生产第二产物的系统和方法。该方法可以包括使第一区接触包括二氧化碳的阴极电解液的步骤。该方法还可包括使第二区接触包括硫基反应物的阳极电解液的另一步骤。进一步，该方法可包括在阳极和阴极之间施加一电势足以产生自所述第一区可重获的第一产物和自所述第二区可重获的第二产物的步骤。该方法的附加步骤可包括从所述第二区移走第二产物和未反应的硫基反应物，并将该未反应的硫基反应物再循环至所述第二区。
上述的概括说明和以下的详细说明都应该被理解为是该发明的典型例子和起解释作用的例子，并不能限制本发明。包含在说明书内并组成说明书的一部分的图示，阐述了该发明的具体实施方案，并和概括说明共同解释该发明的原理。
附图简要说明
通过参考下列附图，本领域技术人员可更好地理解本发明多个特点：
图1A是本发明一个实施例的系统的框图；
图1B是本发明一个实施例的系统的框图；
图2A是本发明另一个实施例的系统的框图；
图2B是本发明另一个实施例的系统的框图；
图3A是本发明另一个实施例的系统的框图；
图3B是本发明另一个实施例的系统的框图；
图4A是本发明另一个实施例的系统的框图；
图4B是本发明另一个实施例的系统的框图；
图5是本发明一个实施例的电化学联合生产产物的方法的流程图；
图6是本发明另一个实施例的电化学联合生产产物的方法的流程图；
图7是本发明另一个实施例的系统的框图；和
图8是本发明另一个实施例的电化学联合生产产物的方法的流程图。
具体实施方式
将会详细介绍本发明的现有优选的实施方案，实施方案中的实施例通过附图阐明。
总体参考图1-8，本发明公开了一种利用供给阳极的硫基反应物或含氮基反应物的电化学联合生产产物的系统和方法。可以预见的是，该产物的电化学联合生产可以包括第一产物的生产，例如二氧化碳还原硫基产物，包括一、二、三和四碳化合物，发生在第二产物联合生产的电化学电池的阴极侧，例如氧化的硫基产物，发生在电化学电池的阳极，其中阳极电解液包括硫基反应物。一些硫基反应物可能并未在电化学电池的阳极侧发生反应并且这些未应的硫基反应物可以再循环至阳极电解液。
硫基反应物可以包括可氧化硫化合物。硫基反应物可以包括，例如，二氧化硫、硫化钠、硫化钾以及硫化氢。该硫基化合物可以包括源自其它化学过程或者，例如，燃煤电厂产生的废气。例子可以包括来自于天然气处理和石油炼制过程的硫化氢。
在详细解释本发明的任何实施方案之前，应该理解为下述的实施方案不能限制接下来的权利要求的范围。同样的，也应该理解为这里使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。术语的应用，如“包含”、“由…组成”或“具有”以及各种变化都意味着包含其后列出来的内容以及其中同附加项一样的等价物。进一步的，除非有其它说明，技术术语按照传统用法使用。
参考图1所示为本发明一个实施例的系统100的框图。系统100一般包括电化学电池（也可称为容器，电解槽，或者电池）102、硫基反应物源104、二氧化碳源106、吸收器/气体分离器108、第一产物提取器110、第一产物113、第二产物提取器112、第二产物115以及能量源114。
电化学电池102可以作为分隔型电解槽使用。该分隔型电解槽可以是分隔型电化电池以及/或分隔型光电化学电池。该电化学电池102可以包括第一区116和第二区118.第一区116和第二区118可能指的是一隔间、区域或者总体封闭的空间，以及类似的不脱离本发明主题范围的结构。第一区116可以包括阴极122。第二区118可以包括阳极124。第一区116可以包括阴极电解液，其中二氧化碳溶解于阴极电解液中。第二区118可以包括阳极电解液，所述阳极电解液可以包括硫基反应物以及未反应的硫基反应物，该未反应的硫基反应物在经过第二产物提取器112和吸收器/气体分离器108后再循环进入阳极电解液。能量源114可在阳极124和阴极122之间产生一电势。该电势可以是DC（直流）电压。能量源114可被构形用以为电化学电池102提供一可变电压或者恒定电流。分离器120可选择性地控制第一区116和第二区118之间的离子流。分离器120可以包括离子导电膜或者膜片材料。
电化学102一般用于将第一区116的二氧化碳还原为第一产物113，当生产自所述第二区118可重获的第二产物115时，所述第一产物可自所述第一区116重获。阴极122可将二氧化碳还原为第一产物113，所述第一产物113可包括一种或者更多的化合物。通过第一产物提取器110自所述第一区可重获的第一产物113的例子可以包括一氧化碳、甲酸、甲醛、甲醇、草酸盐、草酸、水合乙醛酸、羟基乙酸、乙二醛、羟乙醛、乙二醇、乙酸、乙醛、乙醇、乙烯、乙烷、乳酸、丙酸、丙酮、异丙醇、1-丙醇、1，2-丙二醇、丙烯、丙烷、1-丁醇、2-丁醇、丁烷、丁烯、丁二烯、羧酸、羧酸盐、酮、醛以及醇。
二氧化碳源106可以为电化学电池102的第一区116提供二氧化碳。在一些实施例中，二氧化碳被直接引入至含有阴极122的区116中。可以预见的是，二氧化碳源可以是混合气体源，二氧化碳从混合气体源中经过过滤。
第一产物提取器110可作为有机产物和/或无机产物提取器。第一产物提取器110一般用于提取（分离）第一区116的第一产物113。提取的第一产物113通过系统100的端口用于随后其它装置和/或过程储存和/或消耗。
发生在第二区118的阳极侧反应可以包括硫基反应物，其可以是气相、液相或溶液相反应物。此外，该硫基反应物还可以包括氮基反应物。硫基反应物和氮基反应物均可被供给至阳极电解液，或只有硫基或只有氮基反应物可被供给至阳极电解液。自所述第二区118可重获的第二产物115可能源自各种氧化反应，例如无机硫基化合物以及有机硫化合物的氧化。氧化可以是直接的，例如二氧化硫至三氧化硫在阳极的气相转换。氧化还可以是液相，例如硫化钠氧化为亚硫酸钠或者硫代硫酸钠。此外，自所述第二区118可重获的第二产物115可能源自各种氧化，例如无机氮基化合物以及含氮有机化合物的氧化。例子如下表。
供给阳极的化学物 氧化产物
二氧化硫（气相） 三氧化硫，硫酸
二氧化硫（水溶液） 硫化氢，硫酸
碱金属硫化物 碱金属亚硫酸盐，硫代硫酸盐，聚硫化物
碱金属亚硫酸盐 碱金属亚硫酸盐，硫代硫酸盐，聚硫化物，硫酸盐
碱金属亚硫酸氢盐 碱金属亚硫酸盐，硫代硫酸盐，聚硫化物，硫酸盐
碱金属硫代硫酸盐 碱金属聚硫化物，硫酸盐
硫化氢 硫，硫代硫酸盐，亚硫酸盐，硫酸盐，硫酸
一氧化氮（NO） 亚硝酸盐，硝酸盐，硝酸
一氧化二氮 亚硝酸盐，硝酸盐，硝酸
二氧化氮 硝酸
氨 氮气，亚硝酸盐，硝酸盐，硝酸
表1
第二产物提取器112可以从第二区118提取第二产物115。提取的第二产物115可通过系统100的端口用于随后的其它装置和/或者过程的存储和/或者消耗。第二产物提取器112还可以从第二区118提取未反应的硫基反应物117，其可以再循环至阳极电解液。可以预见，第一产物提取器110和/或者第二产物提取器112均利用电化学电池102实施，或者位于远离电化学电池102的地方。此外，可以预见的是，第一产物提取器110和/或者第二产物提取器112均可采用各种机理去实施并且提供所需的不脱离本发明公开的主题范围的分离方法，例如分馏。
进而，第二产物115以及未反应的硫基反应物117可以从第二区118中提取出来并且呈现给吸收器/气体分离器108。所述的吸收器/气体分离器可将第二产物115从未反应的硫基反应物117分离出来，如图1A所示。
吸收器/气体分离器108还可以吸收水源121提供的水中的第二产物115，其可形成第三产物119，如图1B所示。例如，在一个实施例中，硫基反应物源104可以是二氧化硫，这将导致形成的三氧化硫成为第二产物115。第二产物提取器112可以提取第二产物115和未反应的硫基反应物117，并将其提供给吸收器/气体分离器108。经由水源121将水提供给吸收器/气体分离器108，这将导致第二产物115形成第三产物119。在一个例子中，三氧化硫可被水吸收形成硫酸（第三产物119）。吸收器/气体分离器108还可分离第三产物119以及未反应的硫基反应物117。未反应的硫基反应物117可以作为电化学电池102第二区118的供给进料循环至第二区118。可以预见的是，在不脱离本发明公开主题的范围的情况下，未反应的硫基反应物117可以作为唯一的或者附加的电化学电池102第二区118的供给进料。
吸收器/气体分离器108可以包括可吸收以水或者其它物质作为输入的装置。吸收器/气体分离器108可以包括用于将一种气体从另一种气体中分离的机理，或者一气体从液体中分离的机理，例如填料床气提/吸附柱或者分馏柱。
通过第一产物113和第二产物115的联合生产，用于第一产物113和第二产物115的全部能源需求减少了50%或者更多。此外，电化学电池102可以较高的选择性同时生产两种或者更多的产物。
本发明一个优选的实施例可以包括有机化学品的生产，例如二氧化碳的还原产物，在阴极当同时使用一种硫基反应物作为阳极供给以用于硫基产物的氧化。参考图2A所示为用于第一产物113和硫酸219联合生产的系统200。在系统200中，二氧化硫204被提供给第二区118，在这里它将被氧化并生成三氧化硫115。二氧化硫204氧化生成三氧化硫115如下式：
2SO2 + O2 → 2SO3
在存在水的情况下，二氧化硫204的氧化可能产生用于在阴极还原二氧化碳的质子。三氧化硫215和未反应的硫基反应物117被供给至吸收器/气体分离器108。三氧化硫215可被由水源121提供的水所吸收，从而产生硫酸219，根据以下反应：
SO3 + H2O → H2SO4
任何未反应的二氧化硫217均可被循环回第二区118。未反应的二氧化硫217无论是作为纯的非水气体还是在水相中，均可循环回第二区。为了减少能源需求，气相通常是优选。
阴极反应可以包括第一产物113的生产，例如二氧化碳还原产物。在图2A所示的例子中，第一产物113可以包括乙酸，虽然可以预见的是在不脱离本发明公开范围的情况下，其它产物可能在第一区116中产生。如果第一产物113是乙酸，醋酸盐或者乙酸形成的阴极反应如下：
8CO2 + 32H+ + 32e- => 4H3COO + 4H+ + 8H2O
参考图2B所示为本发明一附加实施例的系统200的框图。与图2A所示的实施例相似，图2B是本发明公开的一附加实施例的系统的框图，其中，硫基反应物源在阳极被氧化并在阴极生成无机碱金属硫化物以及相应的碱金属氢氧化物。例如，系统200可以包括硫化钠源205，其可以在液相，例如在水溶液中。硫化钠205被供给至第二区118，并在此被氧化生成亚硫酸钠213。利用液相/气相分离器108，亚硫酸钠213和任何未反应的硫化钠221从第二区118中被提取并分离，所述液相/气相分离器108也可以是脱水器/结晶器，利用同一水溶液中两种化合物不同的水溶性，将硫化钠从亚硫酸盐中分离出来。未反应的硫化钠221可循环回第二区118。当反应物是硫化钠205时，二氧化碳还原产物可以是乙酸钠223。其它反应物将产出不同的产物。例如，对于其它的碱金属硫化物和无机物，产物可以是相应的碱金属有机碳化合物的盐。
如图2B所示的反应发生在碱性条件下，并且在第一区116的该还原反应可以利用产生在氧化反应的钠阳离子，从而生成第一产物。
如图2B所示的例子，硫化钠205被引入至溶液中的阳极电解液中，硫化钠阳极电解液浓度处于2wt%-约40wt%范围内，更优选的范围是5wt%-35wt%，以及更优选的范围是10wt%-30wt%。
当硫化钠205是硫基反应物源时，图2B所示的例子也可用于在阳极产生硫代硫酸钠。同样的，其它的碱金属硫化物可用于取代硫化钠。例如，为了生产亚硫酸钾，硫代硫酸钾、多硫化钾以及硫酸钾，可采用硫化钾作为阳极的硫基反应物源。来自硫化物氧化的最终的氧化产物依赖于一些因素，包括阳极电解液的操作pH、挑选的阳极电催化剂以及在第二区隔室内的任何催化剂的合并，以及依赖流经阳极电解液的反应物的流速的反应物的氧化程度。反应可以发生在碱性条件下，并且在第一区116的还原反应可以利用产生自氧化反应的钾离子，从而产生相应的碱金属碳产物，例如醋酸钾。
可以预见的是，发生在第一区116的反应可以发生在阴极电解液中，所述的阴极电解液包括水、碳酸氢钠或碳酸氢钾、或其它的阴极电解液。第二区118的反应是在气相条件下发生的，例如存在气相反应物118的情况下，例如二氧化硫。发生在第二区118的反应液可以发生在液相条件下，例如在溶液中存在碱金属硫化物的情况。
参考图3A，3B，4A和4B所示为本发明附加实施例所述的系统300、系统400的框图。系统300、系统400为系统100和系统200的图1A和1B和2A和2B提供附加实施例以实现联合生产第一产物和第二产物。
具体的参考图3A，电化学电池102的第一区116可以产生第一产物H2 310，其可与二氧化碳332在反应器330内结合，反应器330可进行反向水煤气变换反应。该实施在反应器330内的反向水煤气变换反应可以生产水334和一氧化碳326。一氧化碳326以及氢气310可以在反应器338内结合。反应器338利用源自电化学电池102的第一区116的H2可引起反应，例如费-托（Fischer-Tropsh）型反应，从而将一氧化碳还原为产物340。产物340可以包括甲烷、甲醇、碳氢化合物、二醇类、烯烃。水306可以是产自第一区116的附加产物，并且可以作为输入供给循环至第一区116。反应器338还可以包括过渡金属，例如铁、钴和钌以及作为催化剂的过渡金属氧化物，它们沉积在无机载体结构上，这些无机载体结构可促进低温和低压条件下一氧化碳与氢气的反应。
第二区118可联合生产第二产物312，例如硫酸，源自硫基反应物304，例如二氧化硫。未反应的硫基反应物317可以从第二产物312中分离出来，并且作为输入供给循环回第二区118。可以预见的是，硫基反应物304可以包括一系列的硫基反应物，包括碱金属硫化物、碱金属亚硫酸盐、碱金属亚硫酸氢盐、碱金属硫代硫酸盐以及硫化氢，而第二产物312还可以指任何类型的含硫化物，它们可以是源自硫基反应物的氧化产物，包括三氧化硫、硫酸、碱金属亚硫酸盐、碱金属硫代硫酸盐以及不脱离本发明主题范围的碱金属多硫酸盐。
参考图3B，可以预见的是第二区118可以联合生产第二产物315，其源自氮基反应物305，例如二氧化氮或者一氧化碳，从而产生第二产物315。第二产物315可以包括硝酸、氮气或者其它产物。未反应的氮基反应物321可以从第二产物315中分离出来，并且作为输入供给循环回第二区118。
参考图4A，电化学电池102的第一区116可产生一氧化碳410第一产物，其可在反应器430中与水432结合，其中反应器430可进行水煤气变换反应。发生在反应器430内的水煤气变换反应可产生二氧化碳434和氢气436。一氧化碳410和氢气436可在反应器438内结合。反应器438可引起例如费-托（Fischer-Tropsch）型反应，从而将一氧化碳还原为产物440。利用源自水煤气变换反应的氢气436，产物440可包括甲烷、甲醇、碳氢化合物、二醇类、烯烃。二氧化碳434可以是反应器430水煤气变换反应的副产物，并且其可作为输入供给循环回第一区116。水406可以是产生自第一区116的附加产物，并且也可以作为另外的输入供给循环至第一区116。反应器438还包括过渡金属，例如铁和铜以及作为催化剂的过渡金属氧化物，将其沉积于无机载体结构上，可促进低温低压条件下一氧化碳与氢气的反应。
电化学电池102的第二区118可自硫基反应物404，例如二氧化硫联合生产第二产物415，例如硫酸。未反应的硫基反应物417可以从第二产物415中分离出来，并作为输入供给循环制第二区118。可以预见的是，硫基反应物404可以包括一系列硫基反应物，包括碱金属硫化物、碱金属亚硫酸盐、碱金属亚硫酸氢盐、碱金属硫代硫酸盐以及硫化氢，而第二产物415还可以指任何类型的含硫化物，其可以是硫基反应物404的氧化物，包括三氧化硫、硫酸及碱金属亚硫酸盐和硫代硫酸盐以及不脱离本发明主题范围的碱金属聚硫化物。
参考图4B，可以预见的是第二区18可联合生产第二产物413，其产自氮基反应物405，例如二氧化氮或者一氧化氮，从而产生第二产物413。未反应的氮基反应物421可从第二产物413中分离并且作为输入供给循环至第二区118。
参考5所示为本发明实施例所述的电化学联合生产产物的方法500的流程图。可以预见的是方法500由如图1A-B和2A-B的系统100和系统200实施。方法500可以包括在具有阴极的电化学电池第一区生产第一产物和在具有阳极的电化学电池的第二区生产第二产物。
电化学电池联合生产物的方法500可以包括一步骤，该步骤是使第一区接触包括二氧化碳的阴极电解液510。方法500的进一步的步骤是使第二区接触包括硫基反应物的阳极电解液520。方法500还可以包括在阳极和阴极之间施加一电势使其足以产生自所述第一区可重获的第一产物和自所述第二区可重获的第二产物的步骤530。方法500还包括从第二区中移走第二产物和未反应的硫基反应物540并且将未反应的硫基反应物再循环至第二区的步骤550。有利地，产自第一区的第一产物可自所述第一区重获并且产自第二区的第二产物也可以自所述第二区重获。
参考图6所示的是本发明另一个实施例所述的电化学电池联合生产产物的方法600的流程图。可以预见的是方法600可以通过图1A-B和图2A-B所示的系统100和系统200实施。方法600可以包括用于在具有阴极的电化学电池第一区生产第一产物和在具有阳极的的电化学电池的第二区生产第二产物的步骤。
方法600可以包括在电化学电池的第一区接收进料二氧化碳610，以及第一区与包括二氧化碳的阴极电解液接触的步骤620。方法600还包括在电化学电池的第二区接收进料硫基反应物630，以及第二区与包括硫基反应物的阳极电解液接触的步骤640。该方法的进一步的步骤是在阳极和阴极之间施加一电势使其足以产生一自所述第一区可重获的第一产物和自所述第二区重获的第二产物650。方法600还包括将第二区内的第二产物和未反应的硫基反应物移走的步骤660。方法600还包括将未反应的硫基反应物再循环至第二区的步骤670。
可以预见的是，接收进料可以包括用于产物供给接收的不同的机理，无论是连续的，近连续的或者分批次部分供给的。
在本发明公开的附加实施例中，如图7所示，含氮化合物可以在阳极被氧化。如图7所示的系统700包括提供至第二区118的氮基反应物源704。氮基反应物源704可以包括一氧化碳、一氧化二氮或者氨以及其它的含氮化合物。例如，氮基反应物源可存在于水溶液中，并且可以包括碱金属亚硝酸盐、硝酸盐以及它们的混合物。
氮基反应物源704在阳极反应产生第二产物715。第二产物715可以包括氮气或者硝酸。利用吸收器/气体分离器108，未反应的氮基反应物717可以从第二产物中分离并且循环返回至第二区118。
在一个例子中，氮基反应物源704是氨，其被氧化生成含氮的第二产物715以及氢气。氢气的形成有益于需要氢气的步骤，而不是生产任何并流的二氧化碳。该反应是：
2NH3 → N2 + 3H2
参考图8所示的为本发明公开的实施例所述的电化学联合生产产物的方法800的流程图。可以预见的是，如图7所示的方法800可以通过系统700实施。方法800可以包括在具有阴极的电化学电池的第一区生产第一产物的和在具有阳极的电化学电池的第二区生产第二产物。
电化学联合生产产物的方法800可以包括第一区与包括二氧化碳的阴极电解液接触的步骤810。方法800的步骤进一步的包括第二区与包括氮基反应物的阳极电解液的接触820。方法800还包括在阳极和阴极之间施加一电势使其足以产生自所述第一区可重获的第一产物和自所述第二区重获的第二产物830。方法800还包括从第二区移除第二产物和氮基反应物840以及将未反应的氮基反应物再循环至第二区的步骤850。
可以预见的是，电化学电池102的结构和操作可为提供所需的结果做适应性的调整。例如，电化学电池102可以在高压条件下操作，例如压力大于大气压，这将增加电流效率并且允许在较高的电流密度条件下进行电化学电池的操作。
此外，阴极122和阳极124可以包括具有空隙容积的高表面积电极结构，空隙容积在30%-98%范围内。电极空隙容积百分比可以指电极不占用电极总容积空间的真空百分比。使用高空隙容积电极的优势在于该结构在流体流经结构时具有较低的压力降低。电极座结构的比表面积在2 cm2/cm3-500 cm2/cm3或者更高。电极比表面积是基电极结构表面积与整个电极的总物理容积的比值。可以预见的是，与电流分配器/导体板的投影几何面积相比，表面积可被定义为电极基板的总面积，具有一个2x-1000x或更高的优选范围。电极结构的实际总活性表面积是一个沉积在物理电极结构上的电极催化剂性质的函数，所述物理电极结构的表面积是物理电极基础结构表面积的2-1000倍。
阴极122选自于一些高表面积材料，包括铜、不锈钢、过渡金属和它们的合金，碳和硅，它们表面被导电金属或半导体层涂覆。阴极122基础结构以来自于金属，碳，或其它导电材料包括聚合物的纤维，网状，或烧结粉末材料形式存在。这些材料可以是插入膜的阴极侧的很薄的塑料网，以阻止膜120直接接触高表面积阴极结构。该高表面积阴极结构机械的压在阴极电流分配器背板上，它由含有相同表面组分的材料组成，这一相同表面组分可作为高表面积阴极。
此外，阴极122可以是合适的导电电极，例如Al，Au，Ag，Bi，C，Cd，Co，Cr，Cu，铜合金（例如，黄铜和青铜），Ga，Hg，In，Mo，Nb，Ni，NiCo2O4，镍合金（例如Ni 625，NiHX），Ni-Fe合金，Pb，Pd合金（例如PdAg），Pt，Pt合金（例如，PtRh），Rh，Sn，Sn合金（例如SnAg，SnPb，SnSb），Ti，V，W，Zn，不锈钢（SS）（例如SS 2205，SS 304，SS 316，SS 321），奥氏体钢，低合金钢，二联钢，马氏体钢，镍铬合金（例如，NiCr 60:16（与铁）），埃尔吉洛伊非磁性合金（例如，Co-Ni-Cr），退化掺杂n-Si，退化掺杂n-Si：As，退化掺杂n-Si：B，退化掺杂n-Si，退化掺杂n-Si：As和退化掺杂n-Si：B。其它被应用的导电电极需满足特定应用的标准。对于光电化学还原，阴极122可以是p-型半导体电极，例如p-GaAs，p-GaP，p-InN，p-InP，p-CdTe，p-GaInP2和p-Si，或n-型半导体，例如n- GaAs，n-GaP，n-InN，n-InP，n-CdTe，n-GaInP2和n-Si。其它被应用的半导体电极需满足特殊应用的标准，包括但不限于CoS，MoS2，TiB，WS2，SnS，Ag2S，CoP2，Fe3P，Mn3P2，MoP，Ni2Si，MoSi2，WSi2，CoSi2，Ti4O7，SnO2，GaAs，GaSb，Ge和CdSe。
阴极电解液的pH在1-12范围内，优选pH范围为4-10。选定的操作pH值是应用于电化学电池102运行的任何催化剂的函数。优选的，阴极电解液和催化剂可被选择用于阻止电化学电池102的腐蚀。阴极电解液可以包括均相催化剂。均相催化剂被定义为芳香杂环胺并且可以包括但不限于未被取代和被取代的吡啶类和咪唑类。被取代的吡啶类和咪唑类可包括但不限于单取代和双取代吡啶类和咪唑类。例如，合适的催化剂可包括直链或支链低烷基（例如，Cl-C10）单取代和双取代化合物例如2-甲基吡啶，4-叔丁基吡啶，2,6二甲基吡啶（2，6-卢剔啶）；二吡啶类，例如4-4′-二吡啶；氨基-取代吡啶类，例如4-二甲基氨基吡啶；和羟基-取代吡啶类（例如，4-羟基-吡啶）和取代或未取代的喹啉或异喹啉类。催化剂可适当的包括取代或未取代的二氮杂环胺类，例如吡嗪，哒嗪和嘧啶。其它催化剂一般包括唑类，咪唑类，吲哚类，恶唑类，噻唑类，取代种类和复杂的多环胺类，例如腺嘌呤，蝶呤，蝶啶，苯并咪唑，邻二氮杂菲等等。
阴极电解液可包括一电解质。阴极电解液电解质可包括碱金属重碳酸盐、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硼酸盐和氢氧化物。可以使用诸如碳酸丙二酯、甲磺酸、甲醇、以及其它离子导电液体的非水电解质，而不是水和使用盐添加电解质，例如碱金属盐。该电解质可包括以下中的一种或多种：NaSO4，KCl，NaNO3，NaCl，NaF，NaClO4，KClO4，K2SiO3，CaCl2，胍阳离子，H阳离子，碱金属阳离子，铵阳离子，烷基铵阳离子，季铵盐阳离子，卤素阴离子，烷基胺，硼酸盐，碳酸盐，胍衍生物，亚硝酸盐，硝酸盐，磷酸盐，聚磷酸盐，高氯酸盐，硅酸盐，硫酸盐，以及氢氧化物。
阴极电解液可以进一步包括水或非水溶剂。水溶剂可以包括大于5%的水。非水溶剂可以包括高达5%水。溶剂可以包含水、质子溶剂或者非质子极性溶剂中的一种或多种。典型的溶剂包括甲醇，乙醇，乙腈，碳酸丙烯酯，碳酸乙烯酯，碳酸二甲酯，碳酸二乙酯，二甲亚砜，二甲基甲酰胺，乙腈，丙酮，四氢呋喃，N，N-二甲基乙酰胺，乙二醇二甲醚，二甘醇二甲酯，丁腈，1，2-二氟苯，γ-丁内酯，N-甲基-2-吡咯烷酮，噻吩烷，1,4-二氧杂环乙烷，硝基苯，硝基甲烷，非水醋酸，离子性液体，以及它们的混合物。
在一个实施例中，阴极电解液/阳极电解液流动速率可以包括阴极电解液/阳极电解液穿过部分面积的流量速率范围，例如2-3000 gpm/ft2或者更多（0.0076-11.36m3/m2）。流速范围可以是0.002-20 ft/sec（0.0006-6.1m/sec）。在一个较高操作压力下运行的电化学电池的阴极电解液允许将更多的溶解的二氧化碳溶于水溶液中。代表性的，在多电池堆设计中，电化学电池可在压力上升至20-30 psig时运行，尽管存在修改，但是，电化学电池可在上升至100 psig情况下运行。电化学电池可以在相同压力范围内操作阳极电解液和阴极电解液从而降低分离器120或分隔两区域的膜的不同压力。特殊的电化学设计可在较高的操作压力升至大约60-100大气压或更高的情况下被用于操作电化学单元，这一操作是在液态二氧化碳中和超临界二氧化碳操作范围内进行的。
在另外一个实施例中，部分阴极电解液循环流可利用背压的流量限制或者使用泵利用注入二氧化碳分别进行增压，这样加压流随即被注入电化学电池的阴极电解液区，这样可能增加水溶液中二氧化碳的溶解量从而提高转化率。此外，二氧化碳微气泡的产生可以通过不同方式传导至电解液循环流中，从而增加溶液中二氧化碳的溶解性。
阴极电解液可在温度范围为-10-95℃条件下作用，更加优选的温度为5-60℃。低温受到阴极电解液的使用和它们的凝固温度的限制。一般而言，温度越低，二氧化碳在阴极电解液的水相溶液中的溶解度越高，这对于获得较高的转化率和电流效率是很有帮助的。缺点就是操作电化学电池的电压可能会较高，因此，存在一个可被运用的优选组合从而以最低的运行成本进行化学药品的生产。此外，阴极电解液可能需要冷却，因此需要使用外部热量交换器，经由热量交换器的流动部分或者全部的阴极电解液，以及使用冷却水除去热量并且控制阴极电解液的温度。
阳极电解液的运行温度可以与阴极电解液的温度处于相同的范围内，并且可以在温度为0℃-95℃的范围内。此外，阳极电解液可能也需要冷却，因此需要使用一个外部热量交换器，经由热量交换器的流动部分或者全部的阳极电解液，以及使用冷却水除去热量并且控制阳极电解液的温度。
电化学电池可以包括不同类型的设计。这些设计可以包括有限的零间隙设计或者电极和膜之间的零间隙，利用各种各样的高表面积阴极材料的再循环阴极电解质的流动和流通设计。电化学电池可以包括大量并流并且充满对流，和设计有各种高表面积阴极材料的喷淋床。并且，双极叠层电池设计和高压电池设计可以被运用于电化学电池。
阳极电极可以与阴极电极相同或者不同。对于在酸性条件下的二氧化硫和硫化氢阳极氧化化学，优选的电催化涂层可以包括贵金属例如钌和铱氧化物，以及铂和金以及作为阀金属基板上的金属和氧化物的它们的结合物，例如钛，钽，锆，铌。除了金属或者其它导电基板上的掺硼金刚石膜之外，碳和石墨是很适用于作为阳极的。对于其它的阳极电解液中的基于硫的反应，例如碱性条件下被氧化的硫化钠或者硫化氢，例如含电解质的氢氧化物，选定的阳极材料可以包括碳，过渡金属，过渡金属氧化物碳钢，不锈钢，以及它们的合金，以及作为阳极的稳定的结合物。阳极124可以包括应用在阳极结构基板表面的电催化涂层。阳极电解液可以与阴极电解液相同或者不同。阳极电解质可以与阴极电解质相同或者不同。阳极电解液可以包括溶剂。该阳极电解液溶剂可以与阴极电解液溶剂相同或者不同。例如对于作为硫基反应物的含二氧化硫的酸性阳极电解液，优选的电催化涂层可以包括贵金属氧化物，例如钌和铱氧化物，以及铂和金以及作为阀金属基板上的金属和氧化物的它们的结合物，例如钛，钽，锆，铌。对于其它的阳极电解液，包括碱或者氢氧化物电解质，阳极可以包括碳，钴的氧化物，不锈钢，过渡金属，以及它们的合金，氧化物和结合物。高表面积阳极结构可以被应用，它将有助于促进阳极反应。高表面积阳极基板材料是由纤维，烧结粉末，烧结网以及类似物以网状形式组成的，以及可被烧结，焊接或机械性连接至普遍用于双极电池组件的电流分配器背板。此外，高表面积的网状阳极结构还可以包括一些区域，外加催化剂在这一区域，并且阳极表面结构的电催化活性表面接近这一区域，从而增强和促进反应的发生，这些反应发生在远离阳极表面的本体溶液中，例如二氧化硫被引入阳极电解液中。阳极结构可以顺次排列，以致于可能密度会在垂直或水平方向发生变化，从而允许气体更容易的从阳极结构中逃离。在这一等级中，可能存在混合在阳极结构中的材料粒子的分布，阳极结构可能包括催化剂，例如过渡金属氧化物，例如那些基于过渡金属的如钴，镍，锰，锌，铜和铁以及贵金属，以及置于阴极室空间118内或外部的无机载体上的基于铂，金，银和钯的氧化物，例如在第二产物提取器或者分离反应器内。
分离器120，也可以称为膜，位于第一区116和第二区118之间，可以包括阳离子交换型膜。对于阴离子具有一个高抑制效率的阳离子交换型膜可以是优选的。这样的阳离子交换膜的例子可以包括基于离子交换膜的全氟化磺酸，例如DuPont Nafion®品牌的N117和N120的未加强类型系列，更优选的PTFE纤维N324和N424的加强类型，以及相似的由例如商标名称Flemion®的供应商名字如AGC工程（朝日玻璃）的日本公司生产制造的膜。其它的应用在氯碱工业的多层全氟离子交换膜可能具有一个基于膜层的碳酸结合到基于膜层的磺酸的双层构建，这样可有效的操作pH值为2或者更高的阳极电解液和阴极电解液。这些膜可以具有一个更高的阴离子抑制效率。它们以它们的Nafion®作为N900系列的商标并由DuPont公司出售，例如N90209，N966，N982，以及2000系列，例如N2012，N2020，N2030以及它们所有的类型和子类型。如果降低阴离子抑制效率是不重要的，由不同的阳离子交换材料制成的基于碳氢化合物的膜也可以使用，例如以Ionac®为商标由Sybron出售的那些膜，以Selemion®作为它们商标的贸易名称为AGC工程（朝日玻璃）的工程（朝日玻璃），以及Tokuyama Soda公司，和市场上的其它公司的膜。陶瓷基膜也可以使用，包括以通用名称NASICON（钠超离子导体）被命名的那些，它们在应用于不同化学反应和选择性运输钠离子的较宽的pH范围内具有稳定的化学性质，组分是Na1+xZr2SiXP3-xO12，以及其它的基于钛的氧化物，锆的氧化物和钇的氧化物，以及β铝氧化物的陶瓷基导电膜。可以使用的选择性膜是那些具有不同结构骨架，例如聚磷腈和磺酸聚磷腈膜，除了基于冠醚的膜之外。优选的，膜或者分离器对于阳极电解液和阴极电解液是具有化学抗性的。
在阳极反应的阳极电解液组分中形成反应物的速率，例如二氧化硫氧化为三氧化硫，预计与电化学电池102使用的电流成正比。硫基反应物进入阳极电解液区118的输入或者进料率，例如一氧化碳，应该按比例供给给生成的反应物。硫基反应物与生成的阳极反应物的摩尔比例可以在100:1到1:10的范围内，更加优选的是50:1到1:5的范围内。在这一范围内的阳极电解液产物输出可以包括未反应的硫基反应物。提取器112的操作以及其选定的分离步骤，例如分馏或者填料塔洗涤，实际产物的生产，以及所需反应的选择性，将决定硫基反应物和在阳极室生成的反应物的最佳摩尔比。未反应的任何组分都可再循环至第二区118。
同样的，形成的电化学二氧化碳还原产物的生成速率，可以预见的与施加在电化学电池102的电流成比例。二氧化碳源106进入第一区116的进入或供给率应该与施加的电流成比例。阴极反应效率将决定二氧化碳还原产物的最大理论摩尔生成。可以预见的是提供给可能形成的二氧化碳还原产物的二氧化碳的理论摩尔值在100:1-2:1的范围内，并且优选范围为50:1-5:1，对于阴极反应二氧化碳的理论需求是过量的。过量的二氧化碳被提取器110分离并且循环回第一区116。
电化学电池可在电流密度大于3 kA/m2，（300mA/cm2）或者在0.5-5 kA/m2适当的范围，或者在所需的更高的情况下更容易的进行操作。阳极优选具有一进入的高表面，它是一比表面积为50cm2/cm3或者更大的结构，它将对阴极背板和膜之间的空隙进行填充，因此具有一零间隙的阳极结构。金属和/或者金属氧化物催化剂可被添加进阳极，从而降低阳极电势和/或者增加阳极电流密度。在碱性条件下，不锈钢或者镍也可以用作阳极材料以用于硫化钠氧化。对于阳极的二氧化硫和硫化氢气体反应，在酸性条件下，涂覆在阀金属基板上的含有贵金属氧化物的阳极是优选的材料，但是其它的也可以是适用的。
在本发明中，公开的方法作为操作指南或者装置可读软件的一部分被实施。进而，可以理解的是，具体的顺序或者公开方法中步骤的层次结构是示例性方法的例子。基于设计参数选择，可以理解的是，当存在在公开的主题中时，具体的顺序或者方法中步骤的层次结构可以被重排。所附的方法主张在示例顺序中不同步骤的现有原理并不意味着是对具体顺序或者现有层次的限定。
可以相信的是，本发明以及伴随它的许多优点可根据前面的描述进行理解，并且在不脱离公开的主题或不牺牲所有的实质优势条件下所作出的组件形式、结构和布置上的各种改变是显而易见的。上述形式仅仅是它的一个解释性的实施例，权利要求的目的是围绕或包含这些变化。

Claims (30)

1.一种从含有阴极的电化学电池的第一区生产第一产物和从含有阳极的所述电化学电池的第二区生产第二产物的方法，该方法包括以下步骤：
使所述第一区接触含有二氧化碳的阴极电解液；
使所述第二区接触含有硫基反应物的阳极电解液；和
在所述阳极和所述阴极之间施加一电势足以产生自所述第一区可重获的第一产物和自所述第二区可重获的第二产物；
从所述第二区中移除所述第二产物和未反应的硫基反应物；和
将所述未反应的硫基反应物再循环至所述第二区。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述硫基反应物包括二氧化硫、硫化氢、碱金属硫化物、碱金属亚硫酸盐、重亚硫酸盐、或硫代硫酸盐中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二产物包括三氧化硫、硫酸、碱金属硫化物、碱金属硫代硫酸盐、或碱金属聚硫化物。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一产物包括一氧化碳、甲酸、甲醛、甲醇、草酸盐、草酸、乙醛酸、羟基乙酸、乙二醛、羟乙醛、乙二醇、乙酸、乙醛、乙醇、乙烯、乙烷、乳酸、丙酸、丙酮、异丙醇、1-丙醇、1,2-丙二醇、丙烯、丙烷、1-丁醇、2-丁醇、丁烷、丁烯、丁二烯、羧酸、羧酸盐、酮、醛以及醇中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
将所述第二产物转化为一第三产物。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阳极电解液和所述阴极电解液是非水的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一产物包括草酸、乙醛酸、或羟基乙酸中的至少一种，以及所述第二产物包括亚硫酸钠和硫代硫酸钠中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述硫基反应物是二氧化硫，以及所述第二产物是三氧化硫。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
将所述第二产物转化为硫酸。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极电解液进一步包括碳酸氢钠或碳酸氢钾中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极电解液是液相，以及所述阳极电解液是气相。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极和所述阳极由一离子渗透屏障进行分隔，所述离子渗透屏障在小于600℃的温度下运行，并且该离子渗透屏障包括聚合的或者无机陶瓷基离子渗透屏障中的一种。
13.一种从含有阴极的电化学电池的第一区生产第一产物和从含有阳极的电化学电池的第二区生产第二产物的方法，该方法包括以下步骤：
在所述电化学电池的所述第一区接收二氧化碳的进料；
使所述第一区接触含有二氧化碳的阴极电解液；
在所述电化学电池的所述第二区接收硫基反应物的进料；
使所述第二区接触含有所述硫基反应物的阳极电解液；
在所述阳极和所述阴极之间施加一电势足以产生自所述第一区可重获的第一产物和自所述第二区可重获的第二产物；
从所述第二区中移走所述第二产物和未反应的硫基反应物；
将所述未反应的硫基反应物再循环至所述第二区。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述硫基反应物包括二氧化硫、烟硫酸钠、硫化氢、碱金属硫化物、碱金属亚硫酸盐、重亚硫酸盐、或硫代硫酸盐中的至少一种。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第二产物包括三氧化硫、亚硫酸钠、硫代硫酸钠、或聚硫化钠。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，第一产物包括一氧化碳、甲酸、甲醛、甲醇、草酸盐、草酸、乙醛酸、羟基乙酸、乙二醛、羟乙醛、乙二醇、乙酸、乙醛、乙醇、乳酸、丙酸、丙酮、异丙醇、1-丙醇、1,2-丙二醇、 1-丁醇、2-丁醇、丁烷、丁烯、羧酸、羧酸盐、酮、醛、和醇中的至少一种。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述硫基反应物是二氧化硫，以及所述第二产物是三氧化硫。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
将所述三氧化硫转化为硫酸。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述阴极电解液是液相，以及所述阳极电解液是气相。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述阴极和所述阳极由一离子渗透屏障进行分隔；
其中，所述离子渗透屏障包括聚合的或者无机陶瓷基离子渗透屏障中的一种；
其中， 所述屏障在小于600℃的温度运行。
21.一种产物的电化学联合生产的系统，包括：
一电化学电池，包括
第一区；
与所述第一区相关联的阴极；
第二区；
与所述第二区相关联的阳极；和
用于选择性地控制所述第一区和所述第二区之间的离子流的分离器；
二氧化碳源，该二氧化碳源与所述第一区流动连接以供给二氧化碳至所述第一区；
硫基反应物源，该硫基反应物源与所述第二区流动连接以供给硫基反应物至所述第二区；
能量源，用于施用横跨所述阳极和所述阴极的电流，其中，当施用该电流时，一第一产物自所述第一区重获，以及一第二产物自所述第二区重获。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，再循环的硫基反应物包括二氧化硫、硫化钠、硫化氢、碱金属硫化物、碱金属眼硫酸盐、重亚硫酸盐、或硫代硫酸盐。
23.根据权利要求21所述的系统，其中，所述第二产物包括三氧化硫、亚硫酸钠、或硫代硫酸钠。
24.根据权利要求21所述的系统，其中，所述第一产物包括一氧化碳、甲酸、甲醛、甲醇、草酸盐、草酸、乙醛酸、羟基乙酸、乙二醛、羟乙醛、乙二醇、乙酸、乙醛、乙醇、乳酸、丙酸、丙酮、异丙醇、1-丙醇、1,2-丙二醇、 1-丁醇、2-丁醇、丁烷、丁烯、羧酸、羧酸盐、酮、醛、和醇中的至少一种。
25.根据权利要求21所述的系统，其中，所述硫基反应物是二氧化硫，以及所述第二产物是三氧化硫。
26.根据权利要求21所述的系统，其中，所述分离器包括一离子渗透屏障并在低于600℃的温度选择性地控制所述第一区和所述第二区之间的离子流。
27.一种从含有阴极的电化学电池的第一区生产第一产物和从含有阳极的电化学电池的第二区生产第二产物的方法，该方法包括以下步骤：
使所述第一区接触含有二氧化碳的阴极电解液；
使所述第二区接触含有氮基反应物的阳极电解液；
在所述阳极和所述阴极之间施加一电势足以产生自所述第一区可重获的第一产物和自所述第二区可重获的第二产物；
从所述第二区中移走所述第二产物和未反应的氮基反应物；和
将所述未反应的氮基反应物再循环至所述第二区。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述氮基反应物包括一氧化氮、二氧化氮、硝酸、氨、碱金属亚硝酸盐、或碱金属硝酸盐中的至少一种。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述第二产物包括硝酸。
30.根据权利要求27所述的方法，其中，所述阴极和所述阳极由一离子渗透屏障进行分隔，所述离子渗透屏障在小于600℃的温度下发生作用，并且该离子渗透屏障包括聚合的或者无机陶瓷基离子渗透屏障中的一种。
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