RU2493293C2 - СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ТИПА CxHyOz ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА (CO2) И/ИЛИ МОНОКСИДА УГЛЕРОДА (СО) - Google Patents

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ТИПА CxHyOz ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА (CO2) И/ИЛИ МОНОКСИДА УГЛЕРОДА (СО) Download PDF

Info

Publication number
RU2493293C2
RU2493293C2 RU2010151465/04A RU2010151465A RU2493293C2 RU 2493293 C2 RU2493293 C2 RU 2493293C2 RU 2010151465/04 A RU2010151465/04 A RU 2010151465/04A RU 2010151465 A RU2010151465 A RU 2010151465A RU 2493293 C2 RU2493293 C2 RU 2493293C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
cathode
anode
electrolysis
pressure
Prior art date
Application number
RU2010151465/04A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2010151465A (ru
Inventor
Беатрис САЛА
Оливье ЛАКРУА
Original Assignee
Арева
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Арева filed Critical Арева
Publication of RU2010151465A publication Critical patent/RU2010151465A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2493293C2 publication Critical patent/RU2493293C2/ru

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20Processes
    • C25B3/25Reduction

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

Данное изобретение относится к устройству для электролиза пара и способу ведения электролиза пара, введенного под давлением в анодное пространство (32) электролизера (30), обеспеченного протон-проводящей мембраной (31), изготовленной из материала, позволяющего протонированным частицам внедряться в эту мембрану под паром, причем указанная протон-проводящая мембрана непроницаема для диффузии кислорода О2 и Н2, при котором происходит окисление воды, введенной в паровой форме, происходящее на аноде (32) так, чтобы генерировать протонированные частицы в мембране, которые мигрируют внутри этой самой мембраны и восстанавливаются на поверхности катода (33) в форме реакционно-способных водородных атомов, способных восстанавливать диоксид углерода СО2 и/или моноксид углерода СО. Способ включает этапы, на которых вводят СО2 и/или СО под давлением в катодное пространство (33) электролизера (30), восстанавливают СО2 и/или СО, введенные в катодное пространство (33), из указанных реакционно-способных водородных атомов, сгенерированных так, чтобы СО2 и/или СО образовывали соединения типа CxHyOz, с x≥1; у между 0 и 2х+2 и z между 0 и 2х. Технический результат изобретения заключается в сокращении количества существующего диоксида углерода, например, путем повторного использования этого диоксида углерода в форме соединений, пригодных в химической области или в области производства энергии. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Данное изобретение относится к способу получения соединений типа CxHyOz, в частности, с х≥1; у между 0 и 2х+2 и z между 0 и 2х, восстановлением диоксида углерода (CO2) и/или моноксида углерода (СО), в частности, из высоко реакционно-способных водородных частиц, сгенерированных посредством электролиза воды.
В настоящее время керамические проводящие мембраны являются предметом многих исследований по увеличению их производительности; эти мембраны находят, в частности, интересные применения, среди прочих, в областях:
- электролиза воды при высокой температуре для получения водорода,
- при обработке углеродсодержащего газа (CO2, СО) электрохимическим гидрированием для получения соединений типа CxHyOz (х≥1; у между 0 и 2х+2 и z между 0 и 2х).
В настоящее время водород (Н2) оказывается очень интересным энергоносителем, который приобретает все большую и большую важность для применения, наряду с другими веществами, нефтью, маслами и смазочными материалами, и который может, в конечном счете, преимущественно заменить нефть и ископаемые топлива, резервы которых сильно сократятся в ближайшие десятилетия. Однако, с этой точки зрения, необходимо разработать эффективные способы производства водорода.
Конечно, многие способы производства водорода были описаны во множестве источников, но многие из этих способов оказались непригодными для массового промышленного производства водорода.
В связи с этим, можно, например, привести синтез водорода паровой конверсией углеводородов. Одной из основных проблем этого пути синтеза является то, что он производит в качестве побочных продуктов значительные количества парниковых газов типа СО2. Фактически, выпускается от 8 до 10 тонн CO2 для получения 1 тонны водорода.
Следовательно, на будущие годы поставлены две задачи: поиск нового энергоносителя, который пригоден для использования без угрозы нашей окружающей среде, такого как водород, и снижение количества диоксида углерода.
Технико-экономические оценки промышленных способов сейчас принимают во внимание последние данные. Тем не менее, главным образом, речь идет о секвестрации, в частности о подземной секвестрации в расщелинах, которые необязательно соответствуют старым нефтяным месторождениям, которые, в конце концов, не могут быть безопасными.
Очевидно, что целесообразно повторно использовать этот диоксид углерода в форме соединений, пригодных для использования в химической области или в области производства энергии. Энергия, необходимая для этого превращения, может быть электричеством, например, ядерного происхождения, и, в частности, таким как от реакторов, таких как ядерные реакторы типа ВТР "ВысокоТемпературный Реактор" или европейские ядерные реакторы с водой под давлением EPR (зарегистрированная торговая марка).
Перспективным путем промышленного производства водорода является технология, известная как паровой электролиз, например, при высокой температуре (ВТЭ), при средней температуре, обычно выше 200°С, или даже при промежуточной температуре от 200°С до 1000°С.
В настоящее время известны два технологических процесса электролиза пара.
Согласно первому способу, представленному на Фигуре 1, используется электролит, способный переносить О2--ионы и работать при температурах, которые обычно составляют от 750°С до 1000°С.
Точнее, Фигура 1 схематически представляет электролизер 1, содержащий керамическую мембрану 2, проводник О2--ионов, обеспечивающую функцию электролита, разделяющего анод 3 и катод 4.
Применение разности потенциалов между анодом 3 и катодом 4 приводит к восстановлению в Н2О паре со стороны катода 4. Это восстановление образует водород H2 и ионы О2- ( O o x
Figure 00000001
в обозначении Крогера-Винка) на поверхности катода 4 согласно реакции:
2 e ' + V o .. + H 2 O O o x + H 2
Figure 00000002
.
Ионы O 2
Figure 00000003
, точнее кислородные вакансии ( V o .. )
Figure 00000004
, мигрируют через электролит 2 для образования кислорода О2 на поверхности анода 3, электроны е выделяются согласно реакции окисления:
O o x 1 2 O 2 + V o .. + 2 e '
Figure 00000005
Таким образом, первый способ позволяет генерировать с выхода электролизера 1 кислород из анодного пространства и водород, смешанный с паром, из катодного пространства.
Согласно второму способу, представленному на Фигуре 2, применяется электролит, способный переносить протоны и работать при более низких температурах, чем те, которые требуются для первого способа, описанного выше, как правило, между 200°С и 800°С.
Точнее, эта Фигура 2 схематически представляет электролизер 10, содержащий протонпроводящую керамическую мембрану 11, обеспечивающую функцию электролита, разделяющего анод 12 и катод 13.
Применение разности потенциалов между анодом 12 и катодом 13 приводит к окислению Н2О пара со стороны анода 12. Пар, введенный в анод 12, таким образом, окисляется для образования кислорода О2 и ионов Н+ (или O H o .
Figure 00000006
в обозначении Крогера-Винка), данная реакция выделяет электроны е согласно уравнению:
H 2 O + 2 O o x 2 O H o . + 1 2 O 2 + 2 e '
Figure 00000007
Ионы H+ (или O H o .
Figure 00000008
в обозначении Крогера-Винка) мигрируют через
электролит 11 для образования водорода Н2 на поверхности катода 13 согласно уравнению:
2 e ' + 2 O H o . 2 O o x + H 2
Figure 00000009
.
Таким образом, этот способ обеспечивает с выхода электролизера 10 чистый водород из катодного пространства и кислород, смешанный с паром, из анодного пространства.
Точнее, образование Н2 происходит посредством образования промежуточных соединений, которые являются адсорбированными на поверхности катода атомами водорода с переменными энергиями и степенями взаимодействия и/или радикалами атомов водорода H(или H Э л е к т р о д x
Figure 00000010
в обозначении Крогера-Винка). Так как эти частицы являются высоко реакционно-способными, они обычно воссоединяются для образования водорода Н2 согласно уравнению:
2 H Э л е к т р о д x H 2
Figure 00000011
.
Данное изобретение направлено на сокращение количества существующего диоксида углерода, например, путем повторного использования этого диоксида углерода в форме соединений, пригодных в химической области или в области производства энергии.
С этой целью данное изобретение предлагает способ ведения электролиза водяного пара, введенного под давлением в анодное пространство электролизера, обеспеченного протонпроводящей мембраной, изготовленной из материала, позволяющего протонированным частицам внедряться в эту мембрану под паром, при котором происходит окисление воды, введенной в паровой форме, происходящее на аноде так, чтобы генерировать протонированные частицы в мембране, которые мигрируют внутри этой самой мембраны и восстанавливаются на поверхности катода в форме реакционно-способных водородных атомов, способных восстанавливать диоксид углерода CO2 и/или моноксид углерода СО, включающий этапы, на которых:
- вводят CO2 и/или СО под давлением в катодное пространство электролизера,
- восстанавливают СО2 и/или СО, введенные в катодное пространство, указанными реакционно-способными атомами водорода, сгенерированными так, чтобы CO2 и/или СО образовывали соединения типа CxHyOz, с х>1; у между 0 и 2х+2 и z между 0 и 2х.
Как указано выше, реакционно-способные атомы водорода понимаются как такие, которые относятся к адсорбированным на поверхности катода атомам водорода с переменными энергиями и степенями взаимодействия и/или радикалам атомов водорода H(или H Э л е к т р о д x
Figure 00000010
в обозначении Крогера-Винка).
Данное изобретение объясняется наблюдением, что второй способ, описанный выше, генерирует высоко реакционно-способный водород на катоде электролизера (в частности, адсорбированные на поверхности электрода атомы водорода и/или радикалы атомов водорода).
Эти высоко реакционно-способные атомы водорода H Э л е к т р о д x
Figure 00000010
образуются на поверхности катода согласно реакции:
e ' + O H o . O o x + H Э л е к т р о д x
Figure 00000012
Фактически, в присутствии CO2 и/или СО на стороне катода высокореакционно-способный водород H Э л е к т р о д x
Figure 00000010
реагирует с углеродными соединениями на электроде для того, чтобы образовывать восстановленные соединения диоксида углерода и/или моноксида углерода типа CxHyOz с х>1; у между 0 и 2х+2 и z между 0 и 2х.
В качестве примера, эти соединения являются парафинами CnH2n+2, олефинами C2nH2n, спиртами CnH2n+2OH или CnH2n-1ОН, альдегидами и кетонами CnH2nO, кислотами Cn-1H2n+1COOH с n>1.
Данное изобретение, таким образом, позволяет пару электролизоваться с совместным электровосстановлением диоксида углерода и/или моноксида углерода, как описано ниже.
Способ по данному изобретению может также представлять одну или более из нижеприведенных характеристик, рассмотренных в отдельности или согласно всем технически возможным комбинациям:
- способ включает этап, на котором контролируют природу соединений типа CxHyOz, образованных согласно вольтамперной паре, приложенной к катоду;
- способ включает этап, на котором используют протонпроводящую мембрану, которая является непроницаемой для диффузии кислорода О2 и Н2, позволяющую введение протонированных частиц в мембрану под давлением пара;
- способ включает этап, на котором используют протонпроводящую мембрану типа: перовскит с вакансиями, нестехиометрические перовскиты и/или легированные перовскиты с общей формулой АВО3, из структуры флюорита, пирохлора А2В2Х7, апатита Ме10(XO4)6Y2, оксиапатита Ме10(XO4)6O2, из структуры гидроксилапатита Ме10(XO4)6(ОН)2, из структуры силиката, алюмосиликата (филлосиликата или цеолита), силикатов, привитых с оксикислотами, или силикатов, привитых с фосфатами;
- способ включает этап, на котором используют электролит, поддерживаемый катодом или анодом, для того, чтобы уменьшить его толщину, с целью увеличения его механической прочности;
- способ включает этап, на котором используют относительное парциальное давление пара больше чем или равное 1 бар и меньше чем или равное разрушающему давлению сборки, последнее больше чем или равно, по меньшей мере, 100 барам;
- относительное парциальное давление пара преимущественно больше чем или равно 50 барам;
- относительное давление CO2 и/или СО больше чем или равно 1 бар и меньше чем или равно разрушающему давлению сборки, последнее больше чем или равно, по меньшей мере, 100 барам;
- температура электролиза выше или равна 200°С и меньше чем или равна 800°С, преимущественно, от 350°С до 650°С;
- электроды пористой структуры являются или керамометаллическими материалами, или "керамическими" электродами смешанной электронной и ионной проводимости;
- керамометаллическими материалами для катодов являются керамики, совместимые с электролитом, в которых природа диспергированного металла является, преимущественно, металлом и или металлическим сплавом, среди которых можно указать металлы, такие как кобальт, медь, молибден, серебро, железо, цинк, благородные металлы (золото, платина, палладий) и/или переходные элементы;
- керамометаллическими материалами для анодов являются керамики, совместимые с электролитом, в которых природа диспергированного металла является, преимущественно, металлическим сплавом или пассивирующимся металлом.
Данное изобретение также относится к устройству для электролиза пара для ведения электролиза водяного пара, введенного под давлением в анодное пространство электролизера, обеспеченного протонпроводящей мембраной, изготовленной из материала, позволяющего введение протонированных частиц в данную мембрану под паром после окисления, включающее
- электролит в форме ионопроводящей мембраны, изготовленной из указанного материала, позволяющего введение протонированных частиц под воздействием водяного давления в указанную мембрану,
- анод,
- катод,
- генератор, позволяющий генерировать ток и прилагать разность потенциалов между указанным анодом и указанным катодом,
отличающееся тем, что генератор включает
- средства для ввода пара под давлением в указанный электролит посредством указанного анода;
- средства для введения CO2 и/или СО под давлением в катодное пространство электролизера, и
- средства для восстановления CO2 и/или СО, вводимого в катодное пространство, согласно способу в соответствии с одним из предыдущих вариантов осуществления.
Устройство по данному изобретению может также представлять одну или более из нижеприведенных характеристик, рассмотренных отдельно или согласно всем технически возможным комбинациям:
- материал, позволяющий введение протонированных частиц, непроницаем для газов О2 и H2;
- материал, позволяющий введение протонированных частиц, имеет уровень уплотнения более 88%, предпочтительно, равный, по меньшей мере, 94%;
- материал, позволяющий введение протонированных частиц, является оксидом, дефектным по атому кислорода, таким как перовскит, дефектный по кислороду, выступающий в качестве проводника протонов. В данном случае, оксид, дефектный по атому кислорода, может иметь стехиометрические интервалы и/или может быть легированным.
Другие характеристики и преимущества данного изобретения будут легко прояснены из описания, данного ниже, для характерных и ни в коем случае не ограничивающих назначений, со ссылками на прилагаемые фигуры, среди которых:
- Фигуры 1 и 2, уже описанные, являются упрощенными схематическими изображениями электролиза водяного пара, и
- Фигура 3 является схематическим изображением электролизера для пара, выполняющего совместное электровосстановление СО2 и/или СО.
Фигура 3 схематически и в упрощенном виде представляет вариант осуществления устройства для электролиза для производства водорода, выполняющего совместный процесс электровосстановления CO2 и/или СО согласно данному изобретению.
Данное устройство для электролиза имеет структуру, аналогичную той, которую имеет устройство на Фигуре 2. Таким образом, оно включает:
- анод 32,
- катод 33,
- электролит 31,
- генератор 34, обеспечивающий разность потенциалов между анодом 32 и катодом 33,
- средства 35, позволяющие ввод под давлением пара рН2О в мембрану 31 посредством катода 33 (относительное парциальное давление пара больше чем или равно 1 бар и меньше чем или равно разрушающему давлению сборки, последнее больше чем или равно, по меньшей мере, 100 бар).
В соответствии с данным изобретением, устройство также содержит приспособления 36, позволяющие ввод под давлением газа (pCO2 и/или СО) в катодное пространство 33.
Ввод пара выполняется посредством приспособлений 35 на уровне анода 32, в то время как введение газа CO2 и/или СО выполняется посредством приспособлений 36 на уровне катода 33.
На аноде 32, вода окисляется свободными электронами, в то время как H+-ионы (в форме O H 0 .
Figure 00000013
) генерируются согласно способу, который является аналогичным способу, описанному с помощью Фигуры 2.
Эти H+-ионы мигрируют через электролит 31, углеродные соединения типа CO2 и/или СО реагируют на катоде 33 с этими Н+-ионами для образования соединений типа CxHyOz (с х>1; у между 0 и 2х+2 и z между 0 и 2х) и воды на катоде.
В частности, химические уравнения различных реакций могут быть записаны как:
( 6 n + 2 ) H Э л е к т р о д х + n C O 2 C n H 2 n + 2 + 2 n H 2 O
Figure 00000014
6 n H Э л е к т р о д х + n C O 2 C n H 2 n + 2 n H 2 O
Figure 00000015
6 n H Э л е к т р о д х + n C O 2 C n H 2 n + 2 O + ( 2 n 1 ) H 2 O
Figure 00000016
( 6 n 2 ) H Э л е к т р о д х + n C O 2 C n H 2 n O + ( 2 n 1 ) H 2 O
Figure 00000017
Так как природа образованного соединения зависит от условий процесса, общая реакция образования CxHyOz может быть, таким образом, записана как:
( 4 x 2 z y ) H Э л е к т р о д х + x C O 2 C x H y O z + ( 2 x z ) H 2 O
Figure 00000018
.
Природа соединений CxHyOz, синтезированных на катоде, зависит от многих параметров процесса, таких как, например, давление газа, рабочая температура Т1 и вольтамперная пара, приложенная к катоду, как описано ниже.
Относительно давления газа, относительное давление CO2 и/или СО больше чем или равно 1 бар и меньше чем или равно разрушающему давлению сборки, последнее больше чем или равно, по меньшей мере, 100 бар.
Следует отметить, что в данном документе выражение «относительное давление» обозначает давление ввода относительно атмосферного давления.
Следует отметить, что возможно применять или поток газа, содержащий только пар, или поток газа, частично содержащий пар. Таким образом, в зависимости от случая, выражение "парциальное давление" будет обозначать или полное давление потока газа в случае, где последний представляет собой только пар, или парциальное давление пара в случае, где поток газа содержит газы, отличные от пара.
Также, полное давление, заданное в катодном или анодном пространстве, может быть скомпенсировано в другом пространстве так, чтобы иметь разность давлений между двумя пространствами для того, чтобы предотвратить разрушение мембранной сборки, если сопротивление разрушению поддерживающего электрода слишком низкое.
Относительно рабочей температуры Т1 устройства, последняя зависит от типа материала, использованного для мембраны 31; в любом случае, данная температура составляет более 200°С и обычно ниже 800°С, или даже ниже 600°С. Данная рабочая температура соответствует проводимости, обеспечиваемой Н+-протонами.
Рабочая температура Т1 устройства также зависит, в диапазоне от 200 до 800°С, от природы углеродных соединений CxHyOz, которые хотят генерировать.
Фактически, может быть получено большое разнообразие соединений, таких как метан, метанол, формальдегид, карбоновые кислоты (муравьиная кислота, и пр.) и другие соединения с более длинными цепочками, которые могут образовать синтетическое топливо.
Например, можно получить следующие реакции на катоде:
8 H Э л е к т р о д х + C O 2 C H 4 + 2 H 2 O
Figure 00000019
6 H Э л е к т р о д х + C O 2 C H 2 + 2 H 2 O
Figure 00000020
6 H Э л е к т р о д х + C O 2 C H 3 O H + H 2 O
Figure 00000021
4 H Э л е к т р о д х + C O 2 C H 2 O + H 2 O
Figure 00000022
H Э л е к т р о д х + C O 2 C O O H
Figure 00000023
Относительно вольтамперной пары, приложенной к катоду, необходимо отметить, что природа образованных углеродных соединений также зависит от этой разности потенциалов. Действительно, чем больше восстановлена катодная среда (низкий окислительно-восстановительный потенциал Е), тем больше гидрированы образованные углеродные соединения, как изображено на диаграмме ниже (R является, например, алкильной группой).
Figure 00000024
Для предпочтительного варианта осуществления данных реакций, необходимо иметь электроды, представляющие большое количество тройных точек контакта, т.е., точек или контактных поверхностей между ионным проводником, электронным проводником и газовой фазой.
Например, рассмотренные электроды являются предпочтительно керамометаллическими материалами, образованными смесью ионопроводящей керамики и электронопроводящим металлом.
Однако использование "полностью керамических" электронопроводящих электродов может также быть рассмотрено вместо керамометаллического материала.
Необходимо отметить, что данный электролит может быть проводником протонов или ионов О2- в зависимости от температуры и давления примененного пара.
Но использование протонпроводящих мембран генерирует водород (в форме атома водорода, более или менее адсорбированного на поверхности катода), который является намного более реакционно-способным, чем водород Н2 (или диводород), таким образом, позволяющий лучшую гидрогенизацию CO2 и СО по сравнению с обычным способом гидрогенизации (в присутствии H2).
Кроме того, использование Н+-ионпроводящих мембран, работающих при умеренной температуре, позволяет синтезировать комплексные соединения типа CxHyOz (с х, у и z более чем 1), в то время как использование О2--проводящий мембраны, работающий при намного более высокой температуре, предпочтительно генерирует СО, продукт, который устойчив при высокой температуре.
Целью осуществляемых исследований является получение максимального выхода продукта для производства водорода и/или гидрогенизации CO2 и/или СО. Для этого большая часть используемой силы тока должна выступать в процессе Фарадея, т.е. использоваться для восстановления воды и, следовательно, производства высоко реакционно-способного водорода.
Таким образом, разность потенциалов, используемая для поляризации, должна быть снижена, по меньшей мере,
- перенапряжением на электродах
- контактным сопротивлением на границе электрод/электролит
- омическим падением в материалах и, в частности, в электролите
- стандартным напряжением термодинамической реакции на электродах.
В данном случае, данное изобретение предлагает использование протонпроводящего электролита под давлением пара для электролиза воды при высокой температуре для производства водорода, а также для электровосстановления СО2 и/или СО на катоде.
Таким образом, способ содержит следующие этапы, на которых:
- вводят протонированные частицы под действием давления потока газа, содержащего пар, в указанную мембрану,
- проводят электролиз пара и восстановление газа (CO2 и/или СО) в катодном пространстве.
Благодаря потоку газа, содержащему пар, протонирование мембраны поддерживается паром под давлением, и данное давление преимущественно используется для получения желаемой проводимости при заданной температуре. Такой способ описан, например, во французской заявке на патент, поданной под номером 07/55418 1 июня 2007.
Как указано в этой заявке, заявитель определяет, что увеличение в относительном парциальном давлении пара приводит к увеличению ионной проводимости мембраны.
Данная взаимосвязь между увеличением в относительном парциальном давлении и увеличением в проводимости позволяет подходящим материалам работать при более низких температурах. Другими словами, понижение проводимости, вызванное работой при более низких температурах, компенсируется за счет увеличения относительного парциального давления пара.
В соответствии с данным изобретением "высоко реакционно-способный" водород получают на катоде, который может генерировать водород (Н2), в отсутствии восстанавливаемого соединения, или соединения типа CxHyOz, в присутствии СО2 и/или СО с х>1; у между 0 и 2х+2 и z между 0 и 2х.
Протонпроводящая мембрана изготовлена из материала, активирующего ввод воды, такого как легированный перовскитный материал общей формулы AB1-xDxO3-x/2. Материалы, используемые для анода и катода, являются предпочтительно керамометаллическими материалами (смесью металла с перовскитным материалом, используемым для электролита). Мембрана предпочтительно непроницаема для газов О2 и Н2.
В основном, мембрана может быть типа: перовскит с вакансиями, нестехиометрические перовскиты и/или легированные перовскиты с общей формулой АВО3, из структуры флюорита, пирохлора А2В2Х7, апатита Ме10(XO4)6Y2, оксиапатита Ме10(XO4)6O2, из структуры гидроксилапатита Ме10(XO4)6(ОН)2, структуры силикатов, алюмосиликатов (филлосиликата или цеолита), силикатов, привитых с оксикислотами, или силикатов, привитых с фосфатами.
В более общем смысле, электролиты могут преимущественно быть всеми соединениями, используемыми как высоко температурные или промежуточно-температурные проводники протонов, или посредством их туннельной или пластинчатой структуры, и/или посредством наличия вакансий, способных вводить протонированные частицы, размер молекул которых мал.
Данное изобретение допускает множество вариантов осуществления. В частности, материал, позволяющий внедрение протонированных частиц, может быть непроницаемым для газов О2 и Н2 и/или может позволять внедрение протонированных частиц при уровне уплотнения более 88%, предпочтительно равном, по меньшей мере, 94%.
Фактически, должен быть найден хороший компромисс между уровнем уплотнения, который должен быть высоким, насколько это возможно (в частности, для механической прочности электролитов и газопроницания), и емкостью материала для того, чтобы позволить внедрение протонированных частиц. Повышение парциального давления пара, которое усиливает внедрение протонированных частиц в мембрану, компенсируется увеличением уровня уплотнения.
Согласно варианту осуществления, материал, позволяющий введение воды, является оксидом, дефектным по атому кислорода, таким как, дефектный по кислороду перовскит, выступающий в качестве проводника протонов. К тому же дефектный по атому кислорода оксид может иметь стехиометрические интервалы и/или может быть легированным.
Фактически, нестехиометрический состав и/или легирование позволяет создать вакансии атомов кислорода. Таким образом, что касается проводимости протонов, выдержка под давлением перовскита, имеющего стехиометрические интервалы и/или легированного (и, следовательно, дефектного по кислороду) паром, вызывает внедрение протонированных частиц в структуру. Молекулы воды заполняют кислородные вакансии и диссоциируют на 2 гидроксильные группы (или протон H+ на участке оксида) согласно реакции:
O o x + V o .. + H 2 O 2 O H o ..
Figure 00000025
Следует отметить, что материалы, отличные от нестехиометрических и/или легированных перовскитов, могут использоваться в качестве материалов, активирующих внедрение воды и ее диссоциацию в форме протонированных частиц и/или гидроксидов.
Например, могут быть приведены кристаллографические структуры, такие как структуры флюоритов, структуры пирохлоров A2B2X7, структуры апатитов Ме10(XO4)6Y2, структуры оксиапатитов Ме10(XO4)6O2, структуры гидроксилапатитов Ме10(XO4)6(ОН)2, силикатов, алюмосиликатов, филлосиликатов или фосфатов.
Эти структуры, возможно, могут прививаться оксикислотными группами. Фактически, могут быть рассмотрены все структуры, имеющие высокое сродство с водой и/или протонами.

Claims (17)

1. Способ ведения электролиза пара, введенного под давлением в анодное пространство (32) электролизера (30), обеспеченного протонпроводящей мембраной (31), изготовленной из материала, позволяющего протонированным частицам внедряться в эту мембрану под паром, причем указанная протонпроводящая мембрана не проницаема для диффузии кислорода О2 и Н2, при котором происходит окисление воды, введенной в паровой форме, происходящее на аноде (32) так, чтобы генерировать протонированные частицы в мембране, которые мигрируют внутри этой самой мембраны и восстанавливаются на поверхности катода (33) в форме реакционно-способных водородных атомов, способных восстанавливать диоксид углерода СО2 и/или моноксид углерода СО, включающий этапы, па которых
- вводят СО2 и/или СО под давлением в катодное пространство (33) электролизера (30),
- восстанавливают СО2 и/или СО, введенные в катодное пространство (33), из указанных реакционно-способных водородных атомов, сгенерированных так, чтобы СО2 и/или СО образовывали соединения типа CxHyOz с х≥1; у между 0 и 2х+2 и z между 0 и 2х.
2. Способ электролиза по п.1, отличающийся тем, что включает этап, на котором контролируют природу соединений типа CxHyOz, образованных согласно вольт-амперной паре, приложенной к катоду.
3. Способ электролиза по п.1 или 2, отличающийся тем, что включает этап, на котором используют протонпроводящую мембрану (31), которая позволяет внедрение протонированных частиц в эту мембрану (31) под давлением пара.
4. Способ электролиза по п.3, отличающийся тем, что включает этап, на котором используют протонпроводящую мембрану (31) типа перовскит с вакансиями, нестехиометрические перовскиты и/или легированные перовскиты с общей формулой АВО3 из структуры флюорита, пирохлора А2В2Х7, апатита Ме10(XO4)6Y2, оксиапатита Ме10(XO4)6O2, из структуры гидроксилапатита Ме10(XO4)6(ОН)2, из структуры силикатов, алюмосиликатов, филлосиликатов, цеолита, силикатов, привитых с оксикислотами, или силикатов, привитых с фосфатами.
5. Способ электролиза по п.4, отличающийся тем, что включает этап, на котором используют в качестве иротонпроводящей мембраны (31) электролит, поддерживаемый катодом (33) или анодом (32) так, чтобы уменьшать ее толщину с целью повышения ее механической прочности.
6. Способ электролиза по п.1, отличающийся тем, что включает этап, на котором используют относительное парциальное давление пара больше чем или равно 1 бар и меньше чем или равно разрушающему давлению сборки, последнее больше чем или равно, по меньшей мере, 100 бар.
7. Способ электролиза по п.6, отличающийся тем, что относительное парциальное давление пара преимущественно больше чем или равно 50 бар.
8. Способ электролиза по п.7, отличающийся тем, что относительное давление СО2 и/или СО больше чем или равно 1 бар и меньше чем или равно разрушающему давлению сборки, последнее больше чем или равно, по меньшей мере, 100 бар.
9. Способ электролиза по п.8, отличающийся тем, что температура электролиза больше или равна 200°С и меньше или равна 800°С, преимущественно между 350 и 650°С.
10. Способ электролиза по п.1, отличающийся тем, что электроды (32, 33) пористой структуры являются или керамометаллическими материалами, или "керамическими" электродами со смешанной электронной и ионной проводимостью.
11. Способ электролиза по п.10, отличающийся тем, что керамометаллическими материалами для катода являются (33) керамометаллические материалы, в которых керамика совместима с электролитом, образующим мембрану (31), и в которых природа дисперсного металла является преимущественно металлом и/или металлическим сплавом, среди которых можно указать металлы, такие как кобальт, медь, молибден, серебро, железо, цинк, благородные металлы (золото, платина, палладий) и/или переходные элементы.
12. Способ электролиза по п.10 или 11, отличающийся тем, что керамометаллическими материалами для анода (32) являются керамометаллические материалы, в которых керамика совместима с электролитом, образующим мембрану (31), и в котором природа дисперсного металла является преимущественно металлическим сплавом или пассивирующимся металлом.
13. Устройство для электролиза пара (30) для ведения электролиза пара, вводимого под давлением в анодное пространство электролизера, обеспеченного протонпроводящей мембраной, изготовленной из материала, позволяющего введение протонированных частиц в эту мембрану под паром после окисления, включающее
- электролит (31) в форме ионопроводящей мембраны, изготовленной из указанного материала, позволяющего введение протонированных частиц под действием давления воды в указанную мембрану,
- анод (32),
- катод (33),
- генератор (34), позволяющий генерировать ток и прилагать разность потенциалов между указанным анодом (32) и указанным катодом (33), отличающееся тем, что включает
- средства (35) для ввода пара под давлением в указанный электролит (31) посредством указанного анода (32),
- средства (36) для введения СО2 и/или СО под давлением в катодное пространство электролизера,
- средства для восстановления СО2 и/или СО, введенного в катодное пространство, согласно способу по п.1.
14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что материал, позволяющий введение протонированных частиц, не проницаем для газов O2 и H2.
15. Устройство по п.13 или 14, отличающееся тем, что материал, позволяющий введение протонированных частиц, имеет уровень уплотнения около 88%, предпочтительно, по меньшей мере, 94%.
16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что материал, позволяющий введение протонированных частиц, является дефектным по атому кислорода оксидом, таким как дефектный по кислороду перовскит, выступающий в качестве проводника протонов.
17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что дефектный по атому кислорода оксид имеет стехиометрические интервалы и/или является легированным.
RU2010151465/04A 2008-05-15 2009-05-15 СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ТИПА CxHyOz ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА (CO2) И/ИЛИ МОНОКСИДА УГЛЕРОДА (СО) RU2493293C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0853161 2008-05-15
FR0853161A FR2931168B1 (fr) 2008-05-15 2008-05-15 Procede de production de composes du type cxhyoz par reduction de dioxyde de carbone (co2) et/ou de monoxyde de carbone (co)
PCT/FR2009/050909 WO2009150352A2 (fr) 2008-05-15 2009-05-15 Procede de production de composes du type cxhyo2 par reduction de dioxyde de carbone (co2) et/ou de monoxyde de carbone (co)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010151465A RU2010151465A (ru) 2012-06-20
RU2493293C2 true RU2493293C2 (ru) 2013-09-20

Family

ID=40122470

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010151465/04A RU2493293C2 (ru) 2008-05-15 2009-05-15 СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ТИПА CxHyOz ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА (CO2) И/ИЛИ МОНОКСИДА УГЛЕРОДА (СО)

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20110132770A1 (ru)
EP (1) EP2282983A2 (ru)
JP (1) JP2011521104A (ru)
CN (1) CN102056866A (ru)
BR (1) BRPI0912654A2 (ru)
FR (1) FR2931168B1 (ru)
RU (1) RU2493293C2 (ru)
WO (1) WO2009150352A2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2685421C1 (ru) * 2015-05-22 2019-04-18 Сименс Акциенгезелльшафт Электролизная система для электрохимической утилизации диоксида углерода с протонодонорным блоком и способ восстановления

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2927350A1 (fr) 2014-04-02 2015-10-07 Beatrice Sala Cellule électrochimique pour l'électrolyse de l'eau liquide ou vapeur, procédé de fabrication et utilisations
US9458542B2 (en) 2011-03-26 2016-10-04 Honda Motor Co., Ltd. Materials and design for an electrocatalytic device and method which produces carbon nanotubes and hydrocarbon transportation fuels
FR2981369B1 (fr) * 2011-10-12 2013-11-15 Areva Procede et systeme de traitement de gaz carbones par hydrogenation electrochimique pour l'obtention d'un compose de type cxhyoz
FR2981368B1 (fr) * 2011-10-12 2013-11-15 Areva Procede de generation d'hydrogene et d'oxygene par electrolyse de vapeur d'eau
PT106860A (pt) 2013-03-28 2014-09-29 Cuf Químicos Ind S A Conjunto elétrodos/eletrólito, reator e método para a aminação direta de hidrocarbonetos
FR3004179B1 (fr) 2013-04-08 2015-05-01 Commissariat Energie Atomique Procedes d'obtention de gaz combustible a partir d'electrolyse de l'eau (eht) ou de co-electrolyse avec h2o/co2 au sein d'une meme enceinte, reacteur catalytique et systeme associes
JP6610917B2 (ja) * 2014-02-07 2019-11-27 パナソニックIpマネジメント株式会社 水蒸気電解水素化装置
JP6292381B2 (ja) * 2014-02-07 2018-03-14 パナソニックIpマネジメント株式会社 水蒸気電解水素化装置
JP6622237B2 (ja) 2017-03-14 2019-12-18 株式会社東芝 二酸化炭素電解装置
WO2018170243A1 (en) * 2017-03-16 2018-09-20 Battelle Energy Alliance, Llc Methods and systems for carbon dioxide hydrogenation
US11001549B1 (en) 2019-12-06 2021-05-11 Saudi Arabian Oil Company Electrochemical reduction of carbon dioxide to upgrade hydrocarbon feedstocks
CN111215111B (zh) * 2020-01-13 2022-07-19 山西大学 一种富含氧空位的二氧化碳电化学还原催化剂及其制备方法和应用
US11426708B2 (en) 2020-03-02 2022-08-30 King Abdullah University Of Science And Technology Potassium-promoted red mud as a catalyst for forming hydrocarbons from carbon dioxide
EP3988523B1 (en) * 2020-10-21 2023-01-18 B. Braun Surgical, S.A. Process for producing functionalized organic molecules
US11420915B2 (en) 2020-06-11 2022-08-23 Saudi Arabian Oil Company Red mud as a catalyst for the isomerization of olefins
US11495814B2 (en) 2020-06-17 2022-11-08 Saudi Arabian Oil Company Utilizing black powder for electrolytes for flow batteries
US12000056B2 (en) 2020-06-18 2024-06-04 Saudi Arabian Oil Company Tandem electrolysis cell
US11718522B2 (en) 2021-01-04 2023-08-08 Saudi Arabian Oil Company Black powder catalyst for hydrogen production via bi-reforming
US11724943B2 (en) 2021-01-04 2023-08-15 Saudi Arabian Oil Company Black powder catalyst for hydrogen production via dry reforming
US11427519B2 (en) 2021-01-04 2022-08-30 Saudi Arabian Oil Company Acid modified red mud as a catalyst for olefin isomerization
US11814289B2 (en) 2021-01-04 2023-11-14 Saudi Arabian Oil Company Black powder catalyst for hydrogen production via steam reforming
US11820658B2 (en) 2021-01-04 2023-11-21 Saudi Arabian Oil Company Black powder catalyst for hydrogen production via autothermal reforming
CN113106485A (zh) * 2021-04-25 2021-07-13 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种电解水双功能电极结构
US12018392B2 (en) 2022-01-03 2024-06-25 Saudi Arabian Oil Company Methods for producing syngas from H2S and CO2 in an electrochemical cell

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4547273A (en) * 1984-06-07 1985-10-15 Energy Conversion Devices, Inc. Mobile atom insertion reaction, mobile atom transmissive membrane for carrying out the reaction, and reactor incorporating the mobile atom transmissive membrane
RU2002118218A (ru) * 1999-12-09 2004-01-10 Статоил Аса И Энд К Ир Пат (No) Способ превращения природного газа в высшие углеводороды
JP2006054170A (ja) * 2004-07-07 2006-02-23 Central Res Inst Of Electric Power Ind プロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質およびこれを用いた電気化学デバイス
WO2006099573A1 (en) * 2005-03-16 2006-09-21 Fuelcor Llc Systems, methods, and compositions for production of synthetic hydrocarbon compounds
WO2007145586A1 (en) * 2006-06-16 2007-12-21 Morphic Technologies Aktiebolag (Publ.) A method and a reactor for making methanol
WO2008017838A1 (en) * 2006-08-08 2008-02-14 Itm Power (Research) Ltd. Fuel synthesis

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2806984C3 (de) * 1978-02-18 1980-09-25 Kernforschungsanlage Juelich Gmbh, 5170 Juelich Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff und Sauerstoff sowie eine Elektrolysezelle zur Durchführung dieses Verfahrens
WO2005093130A1 (en) * 2004-03-26 2005-10-06 The University Court Of The University Of St. Andrews Steam electrolysis
US8277631B2 (en) * 2007-05-04 2012-10-02 Principle Energy Solutions, Inc. Methods and devices for the production of hydrocarbons from carbon and hydrogen sources
FR2916653B1 (fr) * 2007-06-01 2011-05-06 Areva Np Procede d'optimisation de la conductivite ionique d'une membrane conductrice ionique.

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4547273A (en) * 1984-06-07 1985-10-15 Energy Conversion Devices, Inc. Mobile atom insertion reaction, mobile atom transmissive membrane for carrying out the reaction, and reactor incorporating the mobile atom transmissive membrane
RU2002118218A (ru) * 1999-12-09 2004-01-10 Статоил Аса И Энд К Ир Пат (No) Способ превращения природного газа в высшие углеводороды
JP2006054170A (ja) * 2004-07-07 2006-02-23 Central Res Inst Of Electric Power Ind プロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質およびこれを用いた電気化学デバイス
WO2006099573A1 (en) * 2005-03-16 2006-09-21 Fuelcor Llc Systems, methods, and compositions for production of synthetic hydrocarbon compounds
WO2007145586A1 (en) * 2006-06-16 2007-12-21 Morphic Technologies Aktiebolag (Publ.) A method and a reactor for making methanol
WO2008017838A1 (en) * 2006-08-08 2008-02-14 Itm Power (Research) Ltd. Fuel synthesis

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2685421C1 (ru) * 2015-05-22 2019-04-18 Сименс Акциенгезелльшафт Электролизная система для электрохимической утилизации диоксида углерода с протонодонорным блоком и способ восстановления

Also Published As

Publication number Publication date
FR2931168A1 (fr) 2009-11-20
EP2282983A2 (fr) 2011-02-16
WO2009150352A3 (fr) 2010-02-18
FR2931168B1 (fr) 2010-07-30
CN102056866A (zh) 2011-05-11
JP2011521104A (ja) 2011-07-21
RU2010151465A (ru) 2012-06-20
BRPI0912654A2 (pt) 2016-07-05
US20110132770A1 (en) 2011-06-09
WO2009150352A2 (fr) 2009-12-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2493293C2 (ru) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ТИПА CxHyOz ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА (CO2) И/ИЛИ МОНОКСИДА УГЛЕРОДА (СО)
RU2497240C2 (ru) Способ оптимизации проводимости, обеспеченный вытеснением h+ протонов и/или oh- ионов в проводящей мембране
Zhang et al. Thermal stability of an in situ exsolved metallic nanoparticle structured perovskite type hydrogen electrode for solid oxide cells
Danilovic et al. Correlation of fuel cell anode electrocatalytic and ex situ catalytic activity of perovskites La0. 75Sr0. 25Cr0. 5X0. 5O3− δ (X= Ti, Mn, Fe, Co)
US20140284220A1 (en) Method for generating hydrogen and oxygen by steam electrolysis
WO2016204233A1 (ja) アルカリ水電解装置とアルカリ燃料電池を利用した水処理システム
Zapata-Ramírez et al. Electrical and electrochemical properties of the Sr (Fe, Co, Mo) O3− δ system as air electrode for reversible solid oxide cells
CN102471900A (zh) 用于在需要时通过电解水溶液从干的阴极生产氢的装置
Tsotridis et al. EU harmonised protocols for testing of low temperature water electrolysers
WO2006041854A3 (en) Conducting ceramics for electrochemical systems
KR20200078844A (ko) 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법
MacDonald et al. Using earth abundant materials for the catalytic evolution of hydrogen from electron-coupled proton buffers
Grigoriev et al. Hydrogen production by water electrolysis
Senthil et al. Unveiling the origin of activity in RuCoOx-anchored nitrogen-doped carbon electrocatalyst for high-efficiency hydrogen production and hydrazine oxidation using Raman spectroscopy
Santos et al. Perovskite cathodes for NaBH4/H2O2 direct fuel cells
Lu Technological aspects of sulfur dioxide depolarized electrolysis for hydrogen production
Jia et al. Coupling Ferrocyanide-Assisted PW/PB Redox with Efficient Direct Seawater Electrolysis for Hydrogen Production
Qi et al. Boosting electrochemical CO2 directly electrolysis by tuning the surface oxygen defect of perovskite
Hori et al. Electrolysis of humidified methane to hydrogen and carbon dioxide at low temperatures and voltages
Maeda et al. Electrochemical reforming of methane using SrZr0. 5Ce0. 4Y0. 1O3-δ proton-conductor cell combined with paper-structured catalyst
Li et al. Electron‐Efficient Co‐Electrosynthesis of Formates from CO2 and Methanol Feedstocks
WO2007126797A3 (en) Conducting ceramics for electrochemical systems
Graça et al. Electrochemical ammonia synthesis: Mechanism, recent developments, and challenges in catalyst design
Saveleva Investigation of the anodes of PEM water electrolyzers by operando synchrotron-based photoemission spectroscopy
Amar et al. Synthesis of Ammonia Directly from Air and Water v ia a Single-Chamber Reactor Using Lanthanum Chromite-Based Composite as an Electrocatalyst

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170516