電化學驅動的二氧化碳分離器制造技術

公開了包括電化學驅動的二氧化碳分離器的電化學裝置，所述裝置包括由陰離子交換聚合物和電荷存儲化合物(如氫氧化鎳)組成的電極和包含陰離子交換聚合物的膜，所述膜具有用于使含二氧化碳氣體流入所述膜內的通道。使含二氧化碳氣體流入所述膜內的通道。使含二氧化碳氣體流入所述膜內的通道。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】電化學驅動的二氧化碳分離器
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2020年5月20日提交的美國臨時申請第63/027,760號的權益，其全部公開通過引用整體并入本文。
[0003]關于聯邦資助的研究或開發的聲明
[0004]本專利技術是在美國能源部高級研究計劃局
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能源(ARPA
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E)授予的DE
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AR0001034的資助下在政府支持下完成的。政府享有本專利技術的某些權利。


[0005]公開了電化學裝置，特別是電化學驅動的二氧化碳分離器(EDCS)，也稱為外部電流電化學泵(eECP)。EDCS可用于從空氣中分離二氧化碳的方法中。

技術介紹

[0006]來自化石燃料的燃燒和其它來源的二氧化碳(CO2)的排放引起大氣中CO2的積累，從而導致氣候變化，給所有社會帶來代價高昂的后果。雖然碳中和替代品對于化石燃料的許多用途都是可行的，但某些應用幾乎沒有經濟上可行的替代品。對于這些應用，碳基燃料的持續使用可以通過捕獲CO2并將CO2封存到地下，或將CO2與可再生能源一起使用以碳中和方式制造燃料來抵消。可以從相對集中的流中捕獲CO2排放的大規模點源。然而，對于化石燃料的分布式用途，如交通運輸和空間供暖，CO2排放無法在使用點捕獲。
[0007]大氣中CO2的直接空氣碳捕獲(DAC)可用于抵消分布式CO2排放源。此外，在社會已經超過大氣中可耐受的CO2水平的情況下，DAC有可能去除大氣中先前的CO2排放。現有的DAC技術主要集中在使用吸附劑或溶劑進行熱分離和基于壓力的分離。
[0008]EDCS使用電化學產生的氫氧陰離子流從氣體混合物中分離CO2。CO2與氫氧陰離子等強堿反應形成碳酸根和碳酸氫根陰離子。
[0009][0010][0011]在EDCS中，氫氧陰離子在陰極產生并與來自混合氣流中的CO2反應。生成的碳酸根和碳酸氫根陰離子被電化學驅動到陽極，在陽極消耗氫氧化物引起pH下降。pH的下降使等式1和2的平衡向有利于氣態CO2的方向移動，從而使CO2能夠被濃縮到比在從中去除它的混合氣流中高得多的分壓。
[0012]原則上，任何一對產生和消耗氫氧陰離子的電化學反應都可以用于EDCS的陰極和陽極。先前的EDCS實例是基于氫、氧和水的反應，即陰極的氧還原反應(ORR)或析氫反應(HER)，以及陽極的析氧反應(OER)或氫氧化反應(HOR)。Rigdon,W.A.等人(2017).《電化學能量轉換與存儲雜志(Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage)》,14(2),p.020701；Landon,J.和Kitchin,《電化學學會雜志(J.R.J.Electrochem.Soc.)》157,B1149(2010)；Pennline，HW等人《燃料(Fuel)》89,1307
–
1314(2010)；Winnick,《化工進展雜志(J.Chem.Eng.Prog.)》86,41
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45(1990)；Winnick,《電
化學科學與工程(J.Electrochem.Sci.Eng.)》1,205
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248(1990)；Li,K.和Li,N.《分離科學與技術(Sep.Sci.Technol.)》28,1085
–
1090(1993)。對于DAC的應用，氫、氧和水的四種反應因幾個原因而不太適用。考慮到空氣中的氧氣，ORR是一種方便的陰極反應，但驅動ORR所需的動力學過電位顯著增加能耗。HER涉及在陰極產生氫氣副產物，該副產物通常會流失到空氣流中，這代表著能源的顯著浪費。充當陽極反應的HOR需要氫氣的供應，相對于捕獲的CO2的價值而言，氫氣是能源密集型且生產成本高昂的。最后，OER充當陽極反應需要很大的動力學過電位，并導致CO2作為與氧氣副產物的混合物產生，這需要額外的下游分離。
[0013]因此，需要一種用于從空氣中去除二氧化碳的更有效且成本效益更高的裝置和方法。

技術實現思路

[0014]本公開涉及一種用于從含二氧化碳氣體中分離二氧化碳的電化學驅動的二氧化碳分離器(EDCS)。EDCS包含電池。該電池包含：兩個能夠充當陽極或陰極的電極，該兩個電極包含電荷存儲化合物和陰離子交換聚合物，電荷存儲化合物在充當陰極時能夠反應形成氫氧化物并且在充當陽極時能夠反應消耗氫氧化物；與兩個電極相鄰并分隔兩個電極的膜，該膜包含陰離子交換聚合物；適于含二氧化碳氣體流入膜內的通道；適于二氧化碳流出并限定與充當陽極的電極接觸的開口的通道；以及適于二氧化碳流出并限定與充當陰極的電極接觸的開口的通道。電池被適配成使得在運行中：在充當陰極的電極處產生的氫氧化物被傳輸到膜中；含二氧化碳氣體與膜接觸，并且二氧化碳與氫氧根離子反應生成碳酸氫根離子、碳酸根離子或碳酸氫根和碳酸根離子；碳酸氫根離子、碳酸根離子或碳酸氫根和碳酸根離子通過膜傳輸至充當陽極的電極；碳酸氫根離子、碳酸根離子或碳酸氫根和碳酸根離子在充當陽極的電極處反應形成二氧化碳和水；并且二氧化碳通過適于充當陽極的電極的二氧化碳流出的通道從EDCS排放。
[0015]本公開的另一方面涉及用于從含二氧化碳氣體中分離二氧化碳的電化學驅動的二氧化碳分離器(EDCS)。EDCS包含電池。該電池包含：兩個能夠充當陽極或陰極的電極，該兩個電極包含任選地處于部分氧化狀態的氫氧化鎳和陰離子交換聚合物，氫氧化鎳在充當陰極時能夠反應形成氫氧化物并且在充當陽極時能夠反應消耗氫氧化物；與兩個電極相鄰并分隔兩個電極的膜，該膜包含陰離子交換聚合物；適于二氧化碳流出或含二氧化碳氣體流入并限定與充當陽極的電極接觸的開口的通道；以及適于二氧化碳流出或含二氧化碳氣體流入并限定與充當陰極的電極接觸的開口的通道。電池被適配成使得在運行中：在充當陰極的電極處產生氫氧化物；含二氧化碳氣體與充當陰極的電極接觸，并且二氧化碳與氫氧根離子反應生成碳酸氫根離子、碳酸根離子或碳酸氫根和碳酸根離子；碳酸氫根離子、碳酸根離子或碳酸氫根和碳酸根離子通過膜傳輸至充當陽極的電極；并且碳酸氫根離子、碳酸根離子或碳酸氫根離子和碳酸根離子在充當陽極的電極處反應形成二氧化碳和水。
[0016]EDCS可以進一步包含用于向電極供應電流的電源，其中電源適于交替地反轉電流的方向，從而允許每個電極依次充當陽極和陰極。或者，EDCS可以進一步包含用于向電極供應電流的電源；以及耦接到電源和電極的電子開關；其中電子開關適于交替地反轉電流的方向，從而允許每個電極依次充當陽極和陰極。
[0017]EDCS可以進一步包含與電極中的每一個相鄰的集電器。
[0018]電荷存儲化合物可以包含金屬氫氧化物、金屬羥基氧化物、金屬氧化物或儲氫合金。例如，電荷存儲化合物可以包含氫氧化鎳、二氧化錳、處于部分荷電狀態的氫氧化鎳或氫化鎳。優選地，電荷存儲化合物包含氫氧化鎳，或處于部分荷電狀態的氫氧化鎳。
[0019]EDCS可以進本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種用于從含二氧化碳氣體中分離二氧化碳的電化學驅動的二氧化碳分離器(EDCS)，所述EDCS包含：電池，所述電池包含：能夠充當陽極或陰極的兩個電極，所述兩個電極包含電荷存儲化合物和陰離子交換聚合物，所述電荷存儲化合物在充當所述陰極時能夠反應形成氫氧化物并且在充當所述陽極時能夠反應消耗氫氧化物；與所述兩個電極相鄰并且分隔所述兩個電極的膜，所述膜包含陰離子交換聚合物；適于含二氧化碳氣體流入所述膜內的通道；適于二氧化碳流出并限定與充當所述陽極的所述電極接觸的開口的通道；和適于二氧化碳流出并限定與充當所述陰極的所述電極接觸的開口的通道；其中所述電池被適配成使得在運行中：在充當所述陰極的所述電極處產生的所述氫氧化物被傳輸到所述膜中；所述含二氧化碳氣體與所述膜接觸，并且所述二氧化碳與氫氧根離子反應生成碳酸氫根離子、碳酸根離子或碳酸氫根和碳酸根離子；所述碳酸氫根離子、碳酸根離子或碳酸氫根和碳酸根離子通過所述膜傳輸至充當所述陽極的所述電極；所述碳酸氫根離子、碳酸根離子或碳酸氫根和碳酸根離子在充當所述陽極的所述電極處反應生成二氧化碳和水；并且所述二氧化碳通過適于充當所述陽極的所述電極的二氧化碳流出的所述通道從所述EDCS排放。2.一種用于從含二氧化碳氣體中分離二氧化碳的電化學驅動的二氧化碳分離器(EDCS)，所述EDCS包含：電池，所述電池包含：能夠充當陽極或陰極的兩個電極，所述兩個電極包含任選地處于部分氧化狀態的氫氧化鎳和陰離子交換聚合物，所述氫氧化鎳在充當所述陰極時能夠反應形成氫氧化物并且在充當所述陽極時能夠反應消耗氫氧化物；與所述兩個電極相鄰并且分隔所述兩個電極的膜，所述膜包含陰離子交換聚合物；適于二氧化碳流出或含二氧化碳氣體流入并限定與充當所述陽極的所述電極接觸的開口的通道；和適于二氧化碳流出或含二氧化碳氣體流入并限定與充當所述陰極的所述電極接觸的開口的通道；其中所述電池被適配成使得在運行中：在充當所述陰極的所述電極處產生氫氧化物；所述含二氧化碳氣體與充當所述陰極的所述電極接觸，并且所述二氧化碳與氫氧根離子反應生成碳酸氫根離子、碳酸根離子或碳酸氫根和碳酸根離子；所述碳酸氫根離子、碳酸根離子或碳酸氫根和碳酸根離子通過所述膜傳輸至充當所述陽極的所述電極；并且所述碳酸氫根離子、碳酸根離子或碳酸氫根和碳酸根離子在充當所述陽極的所述電極處反應形成二氧化碳和水。
3.根據權利要求1或2所述的EDCS，其中所述EDCS進一步包含用于向所述電極供應電流的電源，其中所述電源適于交替地反轉電流的方向，從而允許每個電極依次充當所述陽極和所述陰極。4.根據權利要求1或2所述的EDCS，其中所述EDCS進一步包含用于向所述電極供應電流的電源；以及耦接到所述電源和所述電極的電子開關；其中所述電子開關適于交替地反轉電流的方向，從而允許每個電極依次充當所述陽極和所述陰極。5.根據權利要求1至4中任一項所述的EDCS，其中所述EDCS進一步包含與所述電極中的每一個相鄰的集電器。6.根據權利要求1至5中任一項所述的EDCS，其中所述電荷存儲化合物包含金屬氫氧化物、金屬羥基氧化物、金屬氧化物或儲氫合金。7.根據權利要求6所述的EDCS，其中所述電荷存儲化合物包含氫氧化鎳、二氧化錳、處于部分荷電狀態的氫氧化鎳或氫化鎳鑭。8.根據權利要求1至7中任一項所述的EDCS，其中所述EDCS進一步包含位于所述膜和所述兩個電極中的每一個之間的離聚物層，所述離聚物層沿著所述兩個電極中的每一個的端部延伸到所述集電器，所述離聚物層適于密封從充當所述陽極的所述電極內的充當所述陽極的所述電極以及用于使二氧化碳從充當所述陽極的所述電極流出的通道釋放的二氧化碳。9.根據權利要求8所述的EDCS，其中所述離聚物層包含陰離子交換聚合物。10.根據權利要求1至9中任一項所述的EDCS，其中所述兩個電極的所述陰離子交換聚合物、所述膜的所述陰離子交換聚合物和/或所述離聚物層的陰離子交換膜獨立地包含季銨或咪唑鎓基團和不含醚基團的聚合物主鏈。11.根據權利要求1至9中任一項所述的EDCS，其中所述兩個電極的所述陰離子交換聚合物、所述膜的所述陰離子交換聚合物和/或所述離聚物層的陰離子交換膜獨立地包含聚(芳基哌啶鎓)、烷基銨官能化聚(芳基亞烷基)、取代的咪唑鎓官能化聚(芳基亞烷基)、烷基銨官能化聚(苯乙烯)、取代的咪唑鎓官能化聚(苯乙烯)、烷基銨官能化聚(苯乙烯
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共
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二乙烯苯)、取代的咪唑鎓官能化聚(苯乙烯
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共
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二乙烯苯)、烷基銨官能化聚(苯乙烯嵌段乙烯
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共
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丁二烯嵌段苯乙烯)、取代的咪唑鎓官能化聚(苯乙烯嵌段乙烯
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共
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丁二烯嵌段苯乙烯)、烷基銨官能化聚(乙烯)、取代的咪唑鎓官能化聚(乙烯)、烷基銨官能化聚(四氟乙烯)、取代的咪唑鎓官能化聚...

【專利技術屬性】
技術研發人員：Y，
申請(專利權)人：特拉華大學，
類型：發明
國別省市：