CN1075395C - 复合膜、用于化学合成的方法及包含所述复合膜的反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于化学合成的复合膜、使用该复合膜的方法以及引入该复合膜的化学反应器。复合膜包括一个既具有阳离子传导相又具有电子传导相的多相传导通道。为了更有利于给定反应，可以给复合膜的表面提供合适的催化剂。通过使合适的组分与复合膜的每个表面接触，阳离子和电子通过复合膜从一个表面传递到另一表面以便在不使用外部电流的情况下形成反应产物。使用这种复合膜的反应器可以在室温下安全地将H2和O2反应成H2O2，而无需输入外部电流或使用复杂的电子设备或有机溶剂。

Description

复合膜、用于化学合成的方法及包含所述复合膜的反应器
本发明涉及一种用于化学合成的复合膜，一种使用该复合膜的方法，以及一种引入复合膜的化学反应器。
大多数过氧化氢(H2O2)是通过十分有名的蒽醌方法制备的。例如参见Binran,1 Appl.Chem.,Ed.Chem.Soc.302(Japan 1986)。这种方法的缺点之一是需要添加许多有机溶剂，形成许多不希望的副产品，以及需要不同的分离步骤。相反，燃料电池提供一种通过H2和O2在一种单一反应器中不使用有机溶剂直接安全地反应来合成的可能装置。
使用一种设计与燃料电池相似的反应器电池提供一种反应物通过离子交换膜分隔开的环境。例如，就H2O2合成来说，将H2和O2反应物分隔开是有利的，因为反应物的混合物可能是易爆炸的以及构成十分严重的对安全的危害性。反应物的分隔使得允许安全使用相对高的压力以提高反应速率。反应器电池也为使用催化剂提供有效环境，该催化剂对特定反应是最佳的。
然而，燃料电池和反应器电池一般需要复杂的电气设备以便收集电子并将电子从电池的一边传递到另一边。这种设备通常不适合于大规模的生产操作。其它的方法需要输入外部电能，使用耐腐蚀的设备，或者两者都需要。此外，为了有效，许多反应器电池需要相对高的操作温度(例如70℃～90℃)。因此希望有一种方法和反应器电池，其不需要有机溶剂、复杂的电气设备，或输入外部电能，但仍能减少爆炸的危险并且在室温下是有效的。
本发明力图消除上面所表明的许多困难。现在已经发明一种不需要复杂的电气设备或输入外部电能的反应器电池。这种反应器电池还提供一种通过H2和O2在单一反应器中在没有有机溶剂的情况下直接安全地反应来有效地在室温下合成H2O2的装置。反应器电池具有一种含有电子传导材料和阳离子传导材料二者的复合膜。对于本发明来说，提到的任何“阳离子”也包括“质子”。因此，一种阳离子传导材料本来也是一种质子传导材料。通过用一种阳离子传导材料例如一种全氟化磺酸(PFSA)的聚合物填充一种多孔的电子导体，例如石墨布、碳纸或多孔金属，电子导体成为传递活化反应物所需的电子的通道。此外，阳离子传导材料的表面可以涂上适当的催化剂以提高特定反应的有利性。
这种反应器电池在进行许多不同的化学合成反应中是有效的，例如：由H2和O2合成H2O2；SO2、H2O和O2合成H2SO4(参见Langeret al.,“Chemicals with Power,”Chemtech 226,229(1985.4))；由有机硝基化合物合成胺类染料(参见Spillman et al.,“Why Not MakeChemicals in Fuel Cells？,”Chemtech 176,182(1884.3))；以及由苯合成苯酚(参见Otsuka et al.,“Direct Synthesis of Phenol fromBenzene during O2-H2 Fuel Cell Reaction,”139[No.9]J.Electrochem.Soc.2381(1992))。这些反应当中，H2O2的合成目前被认为是非常重要的，并且应该在这里更具体地加以讨论。然而，本领域的普遍技术人员能够使本发明的复合膜体系适应其它的化学反应，包括电化学反应，而且仅仅具体地讨论H2O2的合成并不意味着限制本发明的范围。
具体地讲，本发明的第一个方面包含一种多相传导通道。多相传导通道包括一种紧密的、基本上不透气的、电子传导材料与阳离子传导材料的多相混合物，其中电子传导相完全内分散在整个阳离子传导相中。“内分散”的意思是相(虽然是独立并基本上连续的)是整体地被混合的，这样电子传导相是一种互相贯通的网络以及相对于阳离子传导相来说不会仅仅被安置在外部。词组“基本上不透气的”的意思是混合物可以防止气体通过混合物，除极少量的气体之外(也就是说，就相关的气体来说，混合物是无孔隙的，而不是多孔的)。在某些情况下，轻微程度的透气性是可以接受的或不可避免的，例如当存在氢气时。
然而，多相传导通道本质上不同于现有技术中已知的“掺杂”材料。典型的掺杂材料含有少量加到宿主材料中的材料(掺杂剂)，这样掺杂剂的原子永久地与宿主材料的原子相互混合并且大体上形成一种单相。比较起来，虽然本发明的多相传导通道具有内分散在整个阳离子传导相中的电子传导相，但是每个相基本上是离散的并且是可以通过常规方法如电子显微检查法、X射线衍射分析、X射线吸收扫描和电子衍射分析识别。
阳离子传导相可以包含既在本发明的方法中表现出足够的阳离子传导性和又具有在其中内分散或埋入电子传导相的能力的任何材料。本领域的普通技术人员能够确定用于体现这种功能的有效的阳离子传导相。一种典型的阳离子传导相是一种离子交换膜，其中在膜里面具有带负电荷的基团。一种特别优选的阳离子传导相包含一种全氟化磺酸(PFSA)的聚合物。对一些通常优选的PFSA聚合物的讨论以及制备这种聚合物的方法可参见De Vellis等，美国专利号4,846,977，第5栏，1～36行。也可参见Kirk-Othmer,“Perfluorinated-Ionomer Mebranes,”Encyclopedia of Chemical Technology,pp.591～98(1984)和A.Eisenberg、H.Yeager,“Perfluorinated Ionomer Membranes”,ACSSymposium Series No.180(1982)。市场上可购得的PFSA聚合物的例子是NAFIONTM(E.I.du Pont de Nemours and Company)。另外的一些阳离子传导相可以是这样的材料诸如磺化苯乙烯接枝在一种聚四氟乙烯主链上(市场上可从RAI Research Corporation购得RAIPORETM膜)和乙烯基化合物的交联磺化共聚物(市场上可从Ionics,Inc购得TYPECRTM膜)。
膜的电子传导相可以是在给定反应的条件下表现出足够的电子传导性的任何材料，例如多孔金属或金属网、碳纸、石墨布、石墨或碳粉、石墨或碳纤维，或者它们的混合物。多孔金属或金属网也可以由一种或多种金属或金属的化合物构成。适合的金属包括金属如银、金、铑、钌、钯、镍、钴和铜。一种合适的描述于Gosser等的美国专利4,832,938(1989)中的金属合金包括铂和钯。视每个相的物理结构和密度而定，一般多相传导通道包含1～75体积％(V/O)的电子传导相和25～99V/O的阳离子传导相。为了获得用于一般反应的足够的传导性，具有较低密度或形成更随机定向的相的材料一般必须以较高的体积百分比存在。
本发明的多相传导通道可以这样制备，即至少一种电子传导相与至少一种阳离子传导相相结合并且加工这种结合相以形成一种致密的、不透气的、多相固体膜、片、膜或体。多相传导通道尤其可以如下制备：(a)制备至少一种可传导电子的材料和至少一种可传导阳离子的材料的紧密混合物；(b)使混合物形成所希望的形状；以及(e)加热成型的混合物到足以形成一种具有电子和阳离子传导性能的致密固体膜的温度。本领域的普通技术人员将认识到，取决于所使用的材料，在形成致密的固体膜中也可以施加压力。正如本领域所熟知的一样，注意到这一点是重要的，即非热塑的、可商购的阳离子传导材料在形成多相传导通道之前需要进行一些预处理。例如，在制备步骤(a)的“紧密混合物”之前，上述的NAFIONTM可以用适当的溶剂(例如二甲基甲酰胺(DMF))溶解成溶液，如Martin等人描述于“Dissolution ofPerfluorinated Ion Containing Polymers,”54 Analytical Chemistry1639(1982)。然后，这种溶液可被用来与电子传导材料混合或浸渍电子传导材料。然后，蒸发溶剂以形成本发明的所希望的多传导通道。
另一个生产技术利用材料的挤压以形成多传导通道。在此，例如，石墨纤维可与一种热塑性的离子传导或离子传导前体材料(例如全氟磺酰氟(PFSF)的聚合物)相混合以形成一种混合物，该混合物能够用已知的挤压技术进行挤压而形成多传导通道。如果使用离子传导前体材料与电子传导材料混合，那么将该前体材料转变为离子传导材料是必要的。例如，就PFSF来说，一般这种转变可以通过在80℃下用一种22v/o的氢氧化钠(NaOH)/H2O溶液处理前体材料大约16小时来完成。
用于化学合成的复合膜另外还可以包含含有氧化剂的第一层和含有还原剂的第二层。多相传导通道至少具有一个第一表面和第二表面。第一和第二层独立地工作连接到各表面上，一层连接一个表面。“工作连接”意味着第一层和第二层这样安置以便多相传导通道能够从第一层向第二层传递阳离子和电子二者。多相传导通道的每个表面可以或不可以从另一个表面中区分出以及可以工作连接到两层中的任一层上，只要能从第一层向第二层传递阳离子和电子二者。
在H2O2合成中，第一层将氢氧化成质子和电子以及第二层与第一层所产生的质子和电子一起将氧还原为过氧化氢。第一层可以含有任何促进氧化作用的催化材料(“剂”)以及第二层可以包含任何促进还原作用的催化材料(“剂”)。本领域普通技术人员能够确定用于完成这些功能的有效氧化剂和还原剂。这些试剂可以被“承载”以及，只要阳离子和电子能通过多相传导通道从第一层传递到第二层，这些层可以或者通过与多相传导通道相连接或相邻接的离散层(discrete layers)工作连接；或者通过直接混入多相传导通道中的一非离散层工作连接。
用于在膜上沉积金属层的方法是本领域中已知的以及本领域普通技术人员能够优化这些沉积方法以便将第一和第二层工作连接到本发明的多相传导通道上。这种沉积方法的例子公开在Nidola等人的美国专利4,364,803(1982)和Takenaka等人的美国专利号4,328,086(1982)中。
特别优选的氧化和还原剂包括金属和含金属的化合物。在H2O2合成中用于第一层的金属和含金属的化合物的例子包括：铂、钯、钌、钠钨青铜、碳化钨、镀铂碳化硼，以及混合金属和尖晶石电催化剂。可能氧化剂的其它例子在Appleby等人的“Electrocatalysis of Hydrogen,”Fuel Cell Handbook 322-35(Van Nostrand Reinhold 1989)中进行了概况的讨论。在H2O2合成中优选的氧化剂是铂(Pt)。
在合成H2O2中用于第二层的金属和含金属化合物的例子包括：银、金、铋、钯、镧、锌、镧系元素例如钆、铌-钛、镧-锰混合物、铟-锡氧化物的混合物、镨-铟氧化物的混合物、金属酞菁(例如参见Cooket al.,137[No.6]J.Electrochem.Soc.2007(1990))，金属卟啉(例如参见Chan et al.105 J.Am.Chem.Soc.3713-14(1983))，以及基于蒽醌的催化剂(例如参见Degrand,169 J.Electoanal.Chem.259-68(1984))。这样的催化剂也可以包括含有至少一种上述催化剂的混合物和化合物(例如它们的氧化物)。用于H2O2合成的优选还原剂包括金(Au)、钆(Gd)，或它们的化合物。
本发明的第二方面有关一种化学合成的方法。这种方法包括：首先，使一种能产生电子和阳离子的组分与一种氧化剂接触以产生至少一个电子和至少一个阳离子。对于使用本发明的具有第一和第二层的复合膜的H2O2合成，必要的是产生电子和阳离子的组分是一种含氢的组分。优选的含氢组分仅仅是H2。当产生电子和阳离子的组分接触复合膜的第一层时，该组分被氧化，例如，就H2O2的合成来说，当H2被用作产生电子和阳离子的组分时，就在氧化剂(例如Pt)与H2接触时，促进氧化作用从而产生两个质子和两个电子。
化学合成的方法包括：其次，通过多相传导通道传递至少一个电子和至少一个阳离子到还原剂和可还原组分之间的接触面上。对于使用本发明的具有第一和第二层的复合膜的H2O2合成来说，通过多相传导通道将至少一个电子和至少一个阳离子从第一层传导到第二层。使在第一层产生的并且通过多相传导通道传递到复合膜的第二层的电子和阳离子与可还原组分在第二层和可还原组分之间的接触面上相接触。然后，电子和阳离子与可还原组分反应形成反应产物例如H2O2。
对于H2O2的合成，可还原组分必须是含有氧的组分。优选的含氧组分包括空气，或仅仅是O2。当使用本发明的具有第一和第二层的复合膜时，对于含氧组分来说，进一步包括H2O也同样是优选的。H2O有助于稀释H2O2，因此降低它可能的分解作用。H2O也有助于保持复合膜是水化的，因此提供好的离子传导性。对于后一目的，上面所述含氢的组分也可进一步包括H2O。
当使可还原组分与含有还原剂层接触并且至少提供一个电子时，组分被还原。例如，当O2作为可还原组分时，还原剂(如Au)和一个电子就在与O2接触时促进O2还原为阴离子(O2 -)。然后，通过两个质子(H+)和另一个电子与阴离子(O2 -)接触可以形成H2O2。
如果需要，这种化学合成方法可以在高温下进行。一般，温度应该不超过复合膜的任何一种材料明显分解或降解的温度。该温度以及复合膜分解的显著性随复合膜的组成而改变。本领域普通技术人员能够确定进行各种合成反应的适当温度和分解是否明显。例如，通过使气态H2原料与其上沉积了Pt的第一层接触以及使气态的O2和H2O原料混合物与其上沉积了Au的第二层接触，在0℃～50℃的温度下使用PFSA/石墨布复合膜合成H2O2是有利的。优选地，合成是5℃-20℃的温度下进行。在这个范围中的温度不仅有助于H2O2的合成，而且远低于复合膜开始分解(大约200℃)的温度。
此外，本发明的方法一般在环境压力(大约为100KPa)～14,000KPa(大约2030psi)的压力下进行。优选复合膜各侧之间的压力差不超过415KPa(大约60psi)。一般，压力增大，反应物的质量转移率提高。本领域普通技术人员通过选择适合于特定反应的最佳质量转移率可以提高给定反应产物的产量。对于H2O2合成，特别优选的压力是750KPa(大约109psi)～5.516KPa(大约800psi)。
最后，优选地是从复合膜的第二层移去所有的反应产物。这可以分离所要的反应产物和使不希望的副反应例如H2O2分解降低到最小。
本发明的第三个方面涉及一种化学反应器。该化学反应器包括上面所述的具有第一和第二层的复合膜、一个氧化室和一个还原室。具有第一和第二层的复合膜置于氧化室和还原室之间并与它们工作连接，以使复合膜的第一层面向氧化室和复合膜的第二层面向还原室。“工作连接”的意思是这些室这样设置以使其中所含的有关组分能与合适的层相接触从而在相关组分和合适的层之间形成接触面。“室”包括任何容器、空间、区域或类似物，能够基本容纳并便于任何相关组分和复合膜的合适的表面之间的接触。因此，氧化室提供一种用于引入、容纳、以及使产生电子和阳离子的组分与复合膜的第一层相接触的有效环境。类似地，还原室提供一种用于引入、容纳以及使可还原组分与复合膜的第二层相接触的有效环境。此外，希望每个室至少具有一个用于提供和移去(或这二者)相关组分、反应物(或这两者)的开口。
化学反应器还可以包括用于向氧化室供给产生电子和阳离子组分的装置和用于向还原室供给可还原组分的装置。每个装置可以是从组分源向氧化或还原室运送相关组分的任何常规系统和设备。它的最简单的形式是每个装置可以是一个泵和一根工作连接到组分源的导管或通道，这样从组分源通过导管将相关组分泵送到它各自的室中。化学反应器还可包括一种类似的装置用于从还原室中回收反应产物例如H2O2。
本发明的典型化学反应器是这样运行的，即在第一层和氧化室中所含的能产生电子和阳离子的组分之间的接触面上氧化该组分以产生至少一个电子和至少一个阳离子。然后，电子和阳离子通过复合膜传递到复合膜的第二层，在这里电子与还原室中所包含的可还原组分在该组分和复合膜的第二层之间的接触面上接触从而电子使该组分还原。接着，被还原的组分与内部传导的阳离子反应以形成至少一种反应产物。然后通过常规的手段从还原室中回收反应产物。
实施例实施例1
通过研究下面的实施例将进一步阐明本发明，而该实施例纯粹是用来示范本发明的运用的。
在室温和大气压力下，将100毫升(mL)5重量百分比(wt％)的PFSA/乙醇溶液(可从Aldrich Chemical购得的NAFIONTM)中的乙醇蒸发掉以形成PFSA残余物。然后，将PFSA残余物溶液在100ml的二甲基甲酰胺(DMF)中以形成一种5％的PFSA/DMF溶液。然后，用6ml的PFSA/DMF溶液使0.085克1微米的石墨粉(可从Ultra CarbonCorporation得到，产品序号为UCP1-M)形成一种悬浮液。然后，将该悬浮液倒入一个直径为1.5英尺(3.81cm)的铝皿中并且使铝皿在室温和大气压力下放置大约24小时以便DMF蒸发。在DMF蒸发之后，从铝皿中取出一种含有20％石墨碳、大约100微米厚的多相传导通道膜。该膜的电阻率大约为0.3ohms。
通过直接涂覆(DPO)方法在膜的各侧面上在大约6cm2的表面积上涂上氧化剂和还原剂。为施行DPO方法，制备两种涂料，每个催化剂一种。二种涂料都是通过用丙烯碳酸酯载体和一种粘合剂形成催化剂的悬浮液而制备的。还原催化剂的涂料是由40％承载于炭黑(可从E-TEK,Inc.购得)上的金制得的。氧化催化剂涂料是由20％承载于炭黑(可从E-TEK,Inc.购得)上的铂制备的。粘合剂由用于形成膜的5wt％PFSA/DMF组成，并且其加入到每种催化剂涂料中的量应使炭黑上的催化剂的重量比PFSA/DMF粘合剂中的PFSA的重量大2.5倍。还原催化剂涂料以足以提供1.0mg/cm2的金属载荷的量涂在膜上并且氧化催化剂涂料以足够提供0.3mg/cm2金属载荷的量涂在膜的另一侧面上。当复合膜在加热的(约50℃)烧结真空台(fritted vacuum table)时，每种涂料一次一种地涂在复合膜上。该真空台保证复合膜保持平坦并且有助于丙烯碳酸酯和DMF的蒸发。丙烯碳酸酯载体和DMF的蒸发形成一种其上沉积有氧化剂层和还原剂层的多相传导通道复合膜。
然后，复合膜工作连接在反应器中，使氧化催化剂面向反应器的氧化室和还原催化剂面向反应器的还原室。已经在50℃下用水蒸汽润湿的氢气在大约300KPa(大约44psi)的压力下与氧化催化剂接触。氧气在大约350KPa(大约51psi)的压力下与还原催化剂接触。反应器保持在O～40℃的温度范围之内。将每种气体连续地输至它各自的催化剂大约4.25小时。形成浓度为0.05wt％过氧化氢的反应产物。
实施例2
两块1.5英尺(38.1毫米(mm))×1.5英尺的5mil(127微米)厚、密度大约为0.35g/cm3的碳纸(可从Spectrocarb Corporation得到)将一块3.5英尺(88.9mm)×3.5英尺的3mil(76.2微米)厚的全氟磺酰氟(PFSF)的片材夹在中间以形成碳纸、PFSF、碳纸的夹层结构。然后，用大约2mil(50.8微米)厚的KAPTONTM聚酰亚胺膜(可从3MCorporation得到)的独立的不粘的片材覆盖在夹层的每个侧面上，然后在290℃和1380KPa下热压夹层5分钟。热压夹层造成两块碳纸相互接触以及PFSF通过孔挤压进纸中从而形成一种紧密结合在一起的夹层体。然后，在80℃的温度下，将紧密夹层体浸入25wt％NaOH/H2O的苛性碱溶液中达20小时。PFSF转变为它的PFSA-钠盐形式，从而形成多相传导通道。然后用去离子(DI)水漂洗多相传导通道。
通过直接涂覆(DPO)方法将氧化催化剂和还原催化剂独立地涂敷到多相传导通道的各侧面上。为进行DPO方法，制备两种涂料，每种催化剂一种。两种涂料都是通过用丙烯碳酸酯载体和一种粘合剂形成催化剂的悬浮液来制备的。粘合剂由在50wt％的乙醇水溶液中的5wt％的PFSA组成，并且它被加到每种催化剂涂料中的量应使炭黑上的催化剂的重量比PFSA/乙醇/H2O粘合剂中的PFSA的重量大2.5倍。丙烯碳酸酯的加入量是催化剂和碳的量的2.5倍，以重量计。
在还原催化剂涂料中的还原催化剂是由结晶状的Gd(NO3)3·6H2O(可由Aldrich Chemical Company购得的一种钆的水溶盐)制备的承载于炭黑上的20％的氧化钆(Gd与Gd和碳重量的重量比)。首先，钆盐的晶体(0.72g盐/g碳)溶解在最低量的水中。接着，炭黑(从Cabot Corporation得到的VULCAN XC-72RTM炭黑)加到盐溶液中以形成一种浆体，这是按照本领域中已知的早期润湿方法进行的。接着，在研钵和捣锤中研磨的同时，通过缓和地加热浆体从浆体中除去水份。然后将所得到的Gd+3/碳粉末放入对流恒温器中并在120℃的温度下至少保持30分钟以形成还原催化剂。在氧化催化剂涂料中的氧化催化剂是由20％载于炭黑上的铂(可从E-TEK,Inc.得到)制备的。
将还原催化剂涂料涂在复合材料的碳纸部分上，其量足够提供0.2mg/cm2的金属载荷以及氧化催化剂涂在复合材料另一面的碳纸上，其量足以提供0.3mg/cm2的金属载荷。每种涂料一次一种地涂在复合膜上，在这同时复合膜在加热(大约50℃)的烧结真空台上放量至少30分钟。该真空台确保复合膜保持平坦并且有助于丙烯碳酸酯和乙醇/水的蒸发。丙烯碳酸酯载体和乙醇/水的蒸发形成一种其上沉积有氧化剂层和还原剂层的多相传层通道复合膜。
然后，这种多相传导通道复合膜放回相同的热压机中，正如前面所述使用大约2mil(50.8微米)厚的KAPTONTM聚酰亚胺膜的不粘片材，以及在150℃和1380KPa下热压5分钟。然后移去复合膜并且冷却至室温。接着，在室温下将冷却的复合膜在1N H2SO4中浸30分钟以使PFSA的钠盐形式转变为它的质子形式。然后，通过将复合膜放回加热(大约50℃)的烧结真空台上至少30分钟使复合膜重新变平。
然后，复合膜被以这样的方式工作连接进一种平行通道、流场的燃料电池反应器(从Fuel Cell Technologies,Inc.得到)中，使得氧化催化剂面向反应器的氧化室和还原催化剂面向反应器的还原室。填充氧化室的是一种用TEFLONTM/炭黑浸渍的碳布扩散体(diffuser)(可从E-TEK,Inc.作为ELATTM得到)。类似地，还原室中填充了一种3mil(76.2微米)厚的碳纸(可从Spectrocarb,Corp.得到)。与氧化催化剂接触的氢气的入口压力大约是2070KPa(大约300psi)以及与还原催化剂接触的氧气的入口压力大约是1930KPa(大约280psi)。氧气是以带有去离子(DI)水的组合O2气流的方式输至还原催化剂，其中水加入气体的速率是0.05mL/分钟。在室温下通过持续输入气体大约20分钟来操作反应器。形成一种反应产物以及其与所加的水结合得到一种浓度为2.08wt％的过氧化氢。
实施例3
与实施例2中所述的方法相同，区别仅在于：与氧化催化剂接触的氢气的入口压力大约是3450KPa(大约500psi)；与还原催化剂接触的氧气的入口压力大约是3380KPa(大约490psi)；以及带有DI水的组合O2流中水的加入速率是0.20mL/分钟。形成一种反应产物并且其与所加的水结合从而得到浓度为0.84wt％的过氧化氢。
因此，在这个实施例中值得注意的是在反应器中加入4倍的水导致过氧化物的浓度仅仅降低2倍多一点。因此，可以断定过氧化物是以一种有效的方式从反应中形成的。对比例
与实施例2和3中所述的方法相同，只是通过将复合膜各侧的表面外部电连接到复合膜上而使复合膜外部短路。金集电板与形成反应室最外部的各导电石墨块电接触并且通过一块1毫欧的短路棒用电线互相连接。在实施例2的压力和组合流条件下进行上述方法的两个独立的重复实验。所得到的H2O2的量分别是1.82wt％和1.88wt％，在实施例3的压力和组合流条件下进行上述方法的两个独立的重复实验，所得到的H2O2的量分别是0.79wt％和0.65wt％。
因此，值得注意的是总的来说本发明的内部短路的结果比本对比例中内外短路反应器的情况下的结果好，表明使用本发明的内部短路膜，而不是外部短路膜，有利于H2O2的产量。
对于本领域普通技术人员来说，通过考虑这里公开的本发明的详细说明或实践，本发明的其它的实例将是显而易见的，这些详细说明和实施例仅仅被认为是示范性的，下面的权利要求书用于表明本发明的准确范围和宗旨。

Claims (11)

1．一种用于化学合成的包含多相传导通道的复合膜，其中通道的至少一相是阳离子传导相和通道的至少一相是内分散于整个阳离子传导相中的电子传导相。
2．根据权利要求1的复合膜，其中阳离子传导相包含一种全氟磺酸的聚合物。
3．根据权利要求1的复合膜，其中电子传导相选自多孔金属、金属网、碳纸、石墨布、碳或石墨纤维、碳或石墨粉或它们的任何混合物。
4．根据权利要求1的复合膜，其进一步包括：
(a)含有氧化剂的第一层；和
(b)含有还原剂的第二层；
其中多相传导通道位于第一和第二层之间并且与它们工作连接。
5．根据权利要求4的复合膜，其中氧化剂包含Pt。
6．根据权利要求4的复合膜，其中还原剂是Au、Gd、La或它们的混合物或化合物。
7．一种用于化学合成的方法，包括以下步骤：
(a)使一种能产生电子和阳离子的组分与一种氧化剂接触从而产生至少一个电子和至少一个阳离子；
(b)在步骤(a)中产生的至少一个电子和至少一个阳离子分别通过多相传导通道的电子传导相和阳离子传导相传递到还原剂和可还原组分之间的接触面上，其中电子传导相内分散在整个阳离子传导相中，以及
(c)在步骤(b)中传导的至少一个电子和至少一个阳离子与可还原组分反应以形成反应产物。
8．根据权利要求7的方法，其中产生电子和阳离子的组分是含氢组分。
9．根据权利要求7的方法，其中可还原组分是一种含氧组分。
10．根据权利要求7的方法，其中反应产物是过氧化氢。
11．一种化学反应器，其包括：
(a)在权利要求4中所定义的复合膜；
(b)一个氧化室，其用于容纳可产生电子和阳离子的组分以及使所说的组分与复合膜的第一层接触；以及
(c)一个还原室，其用于容纳可还原组分和使所说的组分与复合膜的第二层接触，
其中复合膜介于氧化室和还原室之间，以使复合膜的第一层面向氧化室并与氧化室工作连接以及复合膜的第二层面向还原室并与还原室工作连接。
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