用于电催化的人造肺制造技术

提供了一种电化学气体转化装置，其包括形成为袋状的挠性膜，其中该膜包括透气且不透液的膜，其中该挠性膜的至少一部分由被壳体保持的液体电解质围绕，其中所述挠性膜包括内部气体，在所述挠性膜的外表面上的导电催化剂涂层，其中所述挠性膜和所述导电催化剂涂层被构造为阳极或阴极，以及入口/出口管，该入口/出口管构造成使气体流入挠性膜的内部，从挠性膜的内部流出，或者既流入挠性膜的内部又从挠性膜的内部流出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电催化的人造肺专利
本专利技术一般涉及电催化体系。更具体地，本专利技术涉及可配置用于CO2还原反应(CO2RR)、氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)、析氢反应(HER)、氢氧化反应(HOR)或氮还原反应(NRR)的肺启发性挠性电催化膜。专利技术背景由于化石燃料的排放而导致的全球气候迅速变化正在推动空前的动机和投资规模，以发展可持续的能源和技术，例如燃料电池，金属空气电池，电化学水分解和减少二氧化碳。所有这些商业应用都与高效电催化系统的开发和利用相关。二氧化碳的电化学还原是减少全球范围内加速的CO2排放并产生增值产品的关键方法。电催化氧还原和析氧反应是当前清洁能源技术的核心。尽管已将主要的精力用于催化剂的组成和结构设计，但快速的气体进出催化剂表面仍然是关键挑战。
技术实现思路
为了满足本领域的需求，提供了一种电化学气体转化装置，其包括形成为袋状的挠性膜，其中该膜包括透气且不透液的膜，其中该挠性膜的至少一部分由被壳体保持的液体电解质围绕，其中所述挠性膜包括内部气体，在所述挠性膜的外表面上的导电催化剂涂层，其中所述挠性膜和所述导电催化剂涂层被构造为阳极或阴极，以及入口/出口管，该入口/出口管构造成使气体流入挠性膜的内部，从挠性膜的内部流出，或者既流入挠性膜的内部又从挠性膜的内部流出。根据本专利技术的一个方面，该膜包括纳米多孔聚乙烯(PE)膜。在本专利技术的另一个方面，液体电解质可包括氢氧化钾电解质或碳酸氢钾电解质。在本专利技术的另一个方面，导电催化剂涂层包括电催化剂。根据本专利技术的一个方面，所述膜还包括亲水性纳米多孔膜，其中所述亲水性纳米多孔膜被设置为连续地从液体电解质储存器吸收液体电解质。在本专利技术的又一个方面，所述膜包括孔径最大至500nm孔半径的多孔膜。根据本专利技术的一个方面，挠性膜中的气体成分、液体电解质的成分、挠性膜的厚度、挠性膜的孔隙率和催化剂涂层的成分配置为用于CO2还原反应(CO2RR)、氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)、析氢反应(HER)、氢氧化反应(HOR)或氮还原反应(NRR)中的至少一种。在一个方面，CO2RR配置包括CO2气体成分，H2O液体成分，具有最高达12μm的厚度的挠性疏水纳米PE膜，具有在10至20nm范围内的厚度的Au催化剂层，其中Au催化剂层包括粒径在10至30nm范围内的Au纳米颗粒。在另一个方面，ORR配置包括O2气体成分，H2O液体成分，具有最高达12μm的厚度的挠性疏水纳米PE膜，具有在50nm至80nm范围内的厚度的双层Ag/Pt催化剂。在另一个方面，OER配置包括O2气体成分，H2O液体成分，具有最高达12μm的厚度的挠性疏水纳米PE膜，具有在50nm至100nm范围内的厚度的Au/Ni/FeOx催化剂层。在另一个方面，HER配置包括H2气体成分，H2O液体成分，具有最高达12μm的厚度的挠性疏水纳米PE膜，具有在40nm至80nm范围内的厚度的Ag/Pt催化剂层。在另一个方面，HOR配置包括H2气体成分，H2O液体成分，具有最高达12μm的厚度的挠性疏水纳米PE膜，具有在40nm至80nm范围内的厚度的Ag/Pt催化剂层。在另一个方面，NRR配置包括N2气体成分，H2O液体成分，具有最高达12μm的厚度的挠性疏水纳米PE膜，具有在10nm至20nm范围内的厚度的Au催化剂层。根据本专利技术的一个方面，膜和壳体布置成膜的阵列或壳体的阵列。附图简要说明图1A-1D示出了人造肺电催化系统的示意图。(1A和1B)显示了人肺，与肺泡的支气管连接和单个肺泡的示意图。黑色箭头指示气体的向外扩散，灰色箭头指示气体的向内扩散。(1C)示出了袋状人造肺泡的示意图，该袋状人造肺泡具有将气体快速地从催化剂表面传出和传送到催化剂表面的双重功能。(1D)示出了袋状人造肺泡的放大示意图。根据本专利技术的一个实施方式，根据本专利技术的一些实施方式，该袋状人造肺泡是透气且不透液的膜，其一部分被由壳体保持的液体电解质围绕。图2示出了类似肺泡的袋状PE结构产生了不透水但可双向气体传输的屏障。对于气体析出反应(类似于呼气过程)，新产生的气体分子可以有效地从催化剂/电解质界面向气相扩散，而不会有形成气泡的额外能源成本(左图)。对于气体利用反应(类似于吸气过程)，根据本专利技术，气体反应物可以有效地从气相输送到电化学反应三相接触线，而无需预先溶解到电解质的主体中(右图)。图3A-3D示出了(3A)被膜分离的液体和气体。(3B)在孔入口处的固定接触线。(3C)当θa>90°和θa<90°时，对应的孔内的前进接触线。(3D)根据本专利技术，使用倾斜台方法，1MKOH溶液在光滑的PE表面上的前进接触角的示意图和测量。图4A-4B示出了(4A)碳基GDL的临界冲破(burst-through)压力随其孔半径的变化。插图：碳基GDL的SEM图像。(4B)纳米PE膜的临界冲破压力的计算结果随孔半径的变化。插图：根据本专利技术的一个实施方式，以大于90°的前进接触角θa前进到孔内的液-汽界面。图5显示了本专利技术(示为“星形”数据点)与文献中其他先前报道的OER系统(示为“正方形”，“三角形”，“圆形”数据点)在10mA·cm-2下的过电位比较。图6示出了依据本专利技术，相对于催化剂厚度，文献中代表性Au催化剂的产生CO的饱和归一化电流密度(示为“正方形”数据点)与本专利技术结果(示为“星形”数据点)的比较。图7示出了结合了OER和HER的整体水分解的示意图。水通过纤维素/聚酯膜的毛细作用被吸收。依据本专利技术，气体(产物)的分离是通过直接将气相中的产物种类扩散通过PE膜而实现的。图8A-8C示出了根据本专利技术的具有构建高级电解装置的潜力的3D集成电解的示意图。专利技术详述本专利技术提供了一种装置，该装置具有电催化剂表面的有效气体交换(向电催化剂表面传送气体或从电催化剂表面传出气体)，这通过降低其过电位，增加其活性并优化其选择性来实现。更具体地说，本专利技术提供了一种新的催化系统，其通过模仿具有高透气性但水扩散性极低的哺乳动物肺中的肺泡结构，从而提供了“人造肺”的独特催化剂设计理念。这种一般的人造肺泡设计展示了一种三相催化的新范例，其具有小于100nm的较小的催化剂厚度。根据一个实施方式，本专利技术特别地模仿了具有细支气管的肺泡，其作为由透气且不透水的膜形成的封闭室，用于气体传入和传出哺乳动物的肺。封闭室的大小是可调的，并在其内部部分被液体和气体包围。图1A-1D示出了人造肺电催化系统的示意图。具体地，图1A和图1B显示了人肺，与肺泡的支气管连接和单个肺泡的示意图。黑色箭头指示气体的向外扩散，灰色箭头指示气体的向内扩散。而图1D示出了袋状人造肺泡的示意图，该袋状人造肺泡具有将气体快速地从催化剂表面传出和传送到催化剂表面的双重功能。图1C还示出了袋状人造肺泡的放大示意图。根据本专利技术的一个实施方式，根据本专利技术的一些实施方式，该袋状人造肺泡是透气且不透液的膜，其一部分被由壳体保持的液体电解质围绕。该电化学装置的一个关键方面是其气体利用反应和气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学气体转化装置，其包括：/na)形成为袋状的挠性膜，其中所述膜包括透气且不透液的膜，其中所述挠性膜的至少一部分由被壳体保持的液体电解质围绕，其中所述挠性膜包括内部气体；/nb)在所述挠性膜的外表面上的导电催化剂涂层，其中所述挠性膜和所述导电催化剂涂层被构造为阳极或阴极；和/nc)入口/出口管，其构造成使所述气体流入所述挠性膜的所述内部，从所述挠性膜的所述内部流出，或者既流入所述挠性膜的所述内部又从所述挠性膜的所述内部流出。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171107 US 62/582,798;20180312 US 62/641,6461.一种电化学气体转化装置，其包括：
a)形成为袋状的挠性膜，其中所述膜包括透气且不透液的膜，其中所述挠性膜的至少一部分由被壳体保持的液体电解质围绕，其中所述挠性膜包括内部气体；
b)在所述挠性膜的外表面上的导电催化剂涂层，其中所述挠性膜和所述导电催化剂涂层被构造为阳极或阴极；和
c)入口/出口管，其构造成使所述气体流入所述挠性膜的所述内部，从所述挠性膜的所述内部流出，或者既流入所述挠性膜的所述内部又从所述挠性膜的所述内部流出。


2.如权利要求1所述的电化学气体转化装置，其中，所述膜包括纳米多孔聚乙烯(PE)膜。


3.如权利要求1所述的电化学气体转化装置，其中，所述液体电解质选自下组：氢氧化钾电解质和碳酸氢钾电解质。


4.如权利要求1所述的电化学气体转化装置，其中，所述导电催化剂涂层包括电催化剂。


5.如权利要求1所述的电化学气体转化装置，其中，所述膜还包括亲水性纳米多孔膜，其中所述亲水性纳米多孔膜被设置为连续地从液体电解质储存器吸收所述液体电解质。


6.如权利要求1所述的电化学气体转化装置，其中，所述膜包括孔径最大至500nm孔半径的多孔膜。


7.如权利要求1所述的电化学气体转化装置，其中，所述挠性膜中的气体成分、所述液体电解质的成分、所述挠性膜的厚度、所述挠性膜的孔隙率和所述催化剂涂层的成分配置为用于CO2还原反应(CO2RR)、氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)、析氢反应(HER)、氢氧化反应(HOR)或氮还原...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔屹，李君，S·储，
申请(专利权)人：小利兰·斯坦福大学托管委员会，
类型：发明
国别省市：美国;US