CN107810291B - 用于合成氨的电化学电池和工艺 - Google Patents

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Abstract

一种电化学电池被布置成从氮气和蒸汽(水)生成氨，该电化学电池包括第一体积，第一体积包含一个氮导体并且被暴露于一个阳极和一个气体阴极的相应表面，气体阴极被提供有氮气，该电化学电池还被提供有一个蒸汽入口，以允许蒸汽进入第一体积。电绝缘多孔材料被定位成阻止来自蒸汽入口的蒸汽到达阳极。

Description

用于合成氨的电化学电池和工艺
技术领域
本发明涉及多种电化学电池，特别是用于合成氨NH3的多种电化学电池。本发明还涉及用于合成氨NH3的多种工艺。
背景技术
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]Murakami T.,T.Nishikiori,T.Nohira和Y.Ito,“Electrolytic Synthesisof Ammonia in Molten Salts Under Atmospheric Pressure”,J. Amer.Chem.Soc.125(2),pp.334-335(2003)。
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发明内容
本发明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，本发明提供了下文将要描述的多种方法和装置。
附图说明
结合下文将要描述的实施例，本发明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。图1示出了一个示例性电化学电池。
具体实施方式
图1所示的本发明的实施例包括一个电化学电池10，该电化学电池10具有三个多孔分割的体积1-3。
第一体积1包含一个氮导体20，诸如熔盐低共熔混合物，例如 LiCl/KCl/Li3N。在使用中，H2O蒸汽通过一个蒸汽入口5被引入到该第一体积中。可以提供一个蒸汽扩散器22，以确保入口蒸汽的宽分布。
第二体积2是一个阴极气体电极。氮气N2 26在多孔电极24的远离氮导体20的表面上被引入到该气体电极中。
第三体积3是一个阳极气体电极。一个多孔电极28在一侧上与氮导体20接触。
一个DC电源7在两个多孔电极24、28之间施加一个电势差，其中更为正的电压+V被施加给阳极气体电极3，并且更为负的电压-V 被施加给阴极气体电极2。通常，所施加的电势差可以在0.5V至2V 的范围内。
在使用中，氮气在气体阴极2处被还原成多个氮离子：
N2+6e-＝＞2N3-
在氮导体20内，多个氮离子在阳极与阴极之间的电压梯度的影响下朝着阳极迁移。在氮导体20内，多个氮离子遇到蒸汽(水)并与蒸汽(水)反应，以产生氨：
2N3-+3H2O ＝＞2NH3+3O2-
因此，氨从氮气和蒸汽而产生。氨通过氮导体20扩散，以在氮导体的表面处释放。一个包围件6捕获释放的氨气，并允许氨气被采集。产生的多个氧离子在电极之间的电势梯度下朝着阳极迁移。阳极反应使多个电子返回到DC电源，并向气体阳极电极中生成氧气：
2O2-＝＞O2+4e-。
根据本发明的一个特征，一个电绝缘多孔材料4(优选为气凝胶材料)被放置在多孔阳极28与氮导体20之间。电绝缘多孔材料可以被结合到多孔阳极28，或者可以简单地浸入氮导体中。在阳极28与阴极24之间的电势梯度的影响下，氧离子O-通过电绝缘多孔材料4扩散到阳极28。在阳极28与阴极24之间的电势梯度的影响下，水分子5由于其中性电荷并因此缺乏驱动力而不易于通过电绝缘多孔材料扩散。
电绝缘多孔材料4将多孔阳极屏蔽，以免受氮导体内的多个水分子(蒸汽)。在没有这种电绝缘多孔材料屏蔽的情况下，以下不希望的还原将在阳极处发生，并且将通过氢气H2而使所释放的氨NH3受污染，而且提供竞争性副反应，从而降低了效率：
3H2O＝>3/2O2+6H++6e-。
被捕获在包围件6中的氨气根据需要而被干燥和清洁，并且可以被存储以供以后使用。
本发明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。
本发明的一个特别的特征是电绝缘多孔材料，该电绝缘多孔材料 4用作一个电极保护器，以防止蒸汽到达阳极。电绝缘多孔材料应当是一个如下的电绝缘结构：其允许氧离子O2-在所施加的电势梯度的影响下通过，但不允许水分子H2O扩散。
电绝缘多孔材料可以是溶胶-凝胶得到的二氧化硅气凝胶。这种气凝胶的织构和孔隙率可以被控制，以提供期望的多个性质。
产生的二氧化硅可以作为一个相对致密的微孔干凝胶存在，或者它可以被合成为一个非致密的介孔气凝胶。二氧化硅气凝胶的三维结构和孔隙率性质带来了本申请中的某些优点。表面积可以较大 (>800m2/g)，平均孔尺寸在介孔范围(2nm-50nm)内，并且多个孔作为一个互联的网络存在。
尽管具体参考了由蒸汽和氮气合成氨的应用来描述本发明，但是本发明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5(在上文示例中为H2O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26(在上文示例中为氮气N2)引入到阴极24的部件。电解质(在上文示例中以氮导体的形式)被提供在阳极28与阴极24之间。电压+V和-V分别被施加到阳极和阴极。在阴极处，第一离子组分(在上文示例中为 N3-)从第二源材料产生。在阳极与接地电极之间的电压梯度的影响下，第一离子组分朝向阳极而穿过电解质。在电解质内，第一离子组分遇到第一源材料，并且发生反应，以生成一个产物(在上文示例中为氨NH3)和一个离子副产物(在上文示例中为氧离子O2-)。在阳极与接地电极之间的电压梯度的影响下，离子副产物朝向阳极而继续穿过电解质。在到达阳极时，离子副产物放弃其电荷，并变成一个释放的副产物(在上文示例中为氧气O2)。
应当提供部件来收集产物，并且优选地还收集释放的副产物。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。
尽管阳极被描述为被布置用于收集气态副产物的一个气体电极，但是这种布置在被设置为执行不同反应的多种电化学电池中可能不是必需的。在这种情况下，提供一个固体阴极即可足够，此时第三体积3可以被省略。
如对本领域技术人员来说将是明显的，在本发明的范围内，另外的修改和变化是可能的。

Claims (7)

1.一种电化学电池，被布置成从氮气和蒸汽生成氨NH3，所述电化学电池包括：
-第一体积，所述第一体积包含一个氮导体，并且被暴露于一个阳极和一个气体阴极的相应表面之间，所述气体阴极被提供有氮气，
-一个蒸汽入口，用于允许蒸汽进入所述第一体积，
-一个电源，被布置成向阳极施加一个正电压+V，并且向所述阴极施加一个负电压-V，以及
-一个包围件，用于捕获气态产物，
其特征在于，电绝缘多孔材料被定位在所述第一体积和所述阳极的一个表面之间，以阻止来自所述蒸汽入口的蒸汽到达所述阳极，所述电绝缘多孔材料是溶胶-凝胶得到的二氧化硅气凝胶。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述气体阴极包括一个多孔阴极和第二体积。
3.根据任一前述权利要求所述的电化学电池，其中所述阳极是包括一个多孔阳极和第三体积(3)的一个气体电极。
4.根据权利要求1或2所述的电化学电池，其中所述蒸汽入口被提供有一个蒸汽扩散器。
5.一种用于从第一源材料和第二源材料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中的部件；
-用于将第二源材料引入到所述第一体积中的部件；以及
-被提供在所述第一体积中的一个氮导体，
其中：
-所述第一源材料是H2O蒸汽；
-所述第二源材料是氮气N2；并且
-所述气态产物是氨NH3。
6.一种用于通过使用一个根据权利要求5所述的装置来产生一个气态产物的方法，包括以下步骤：
-向所述阳极施加一个正电压+V；
-向所述阴极施加一个负电压-V，其中所述阴极包括一个多孔阴极和第二体积；
-将第一源材料引入到所述第一体积中；
-将第二源材料引入到所述第二体积中，所述第二源材料在所述阴极处反应，以在所述第一体积中的电解质中提供第一离子组分；
-通过所述第一离子组分与所述第一源材料之间的反应，生成所述气态产物，
其中所述第一离子组分是氮离子N3-；并且
所述方法还包括以下步骤：收集在所述第一体积中产生的所述气态产物。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：收集在所述阳极处生成的一个副产物。
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