用于电化学合成的反应器制造技术

提出了一种用于电化学合成的反应器(100)。反应器(100)包括配置成接收包含电解介质和至少一种反应物的反应混合物的容器(102)、至少一个第一电极(108)和至少一个第二电极(110)。第一电极(108)和第二电极(110)布置在容器(102)内，并且在没有电接触的情况下彼此互穿。第一电极(108)和/或第二电极(110)是三维网格状的，第一电极(108)和第二电极(110)布置成允许和/或有目的地引导反应混合物在它们之间流动。此外，提出了一种进行电化学合成的方法。学合成的方法。学合成的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电化学合成的反应器


[0001]本专利技术涉及用于电化学合成的反应器。此外，本专利技术涉及一种进行电化学合成的方法。该方法和计算机系统可用于化学
的有机或无机电合成。其他应用也是可能的。

技术介绍

[0002]化学中的电化学合成或电合成是在电化学电解槽中合成化合物。与普通的氧化还原反应相比，电合成有时提供改进的选择性和产率。电合成作为一门科学被积极地研究，并且也具有工业应用。电氧化在废水处理方面也有潜力。
[0003]电合成的基本装置是原电池、电源和至少两个电极。典型的溶剂和电解质组合可使电阻最小化。质子条件通常使用醇
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水或二恶烷
‑
水溶剂混合物以及电解质如可溶性盐、酸或碱。质子惰性条件通常使用有机溶剂如乙腈或二氯甲烷，以及电解质如高氯酸锂或四丁基铵盐。关于电极的组成和表面积的选择可能是决定性的。例如，在含水条件下，电解槽中的竞争反应是在阳极形成氧气，并且在阴极形成氢气。在这种情况下，可以有效地使用石墨阳极和铅阴极，因为它们分别具有高的超电位来用于氧气和氢气的形成。许多其他材料可用作电极。其他例子包括铂、镁、汞(作为反应器中的液体池)、不锈钢或网状玻璃碳。一些反应使用在反应过程中消耗的牺牲电极，如锌、镁或铝。电解槽设计可以是无隔膜电解槽(undivided cell)或分隔式电解槽(divided cell)类型。在分隔式电解槽中，阴极室和阳极室用半多孔膜隔开。常见的膜材料包括烧结玻璃、多孔陶瓷、聚四氟乙烯或聚丙烯。分隔式电解槽的目的是允许离子扩散，同时限制产物和反应物的流动。这种分隔简化了处理。需要分隔式电解槽的反应的一个例子是将硝基苯还原成苯基羟胺，其中苯基羟胺在阳极容易氧化。
[0004]有机氧化发生在阳极。化合物在阴极被还原。自由基中间体经常被调用。初始反应发生在电极表面，然后中间体扩散到溶液中，在该溶液中该中间体参与二次反应。
[0005]电合成的产率可用化学产率和电流效率来表示。电流效率是在形成产物时消耗的库仑数与通过电解槽的总库仑数之比。副反应降低了电流效率。
[0006]电极之间的电位降决定了反应的速率常数。在恒定电位或恒定电流下进行电合成。选择一者而不是另一者的原因是由于实验条件的容易程度与电流效率之间的权衡。恒定电位更有效地利用了电流，因为电解槽中的电流由于工作电极周围底物的耗尽而随时间减少。然而，在恒定电流条件下，情况并非如此。相反，随着底物浓度的降低，电解槽上的电位增加，以保持固定的反应速率。这消耗了在目标电压之外产生的反应内部的电流。
[0007]许多用于电化学合成的反应器包括板形电极，这些板形电极以一个在另一个之上的交替方式布置为阴极和阳极，其间具有间隙。反应混合物通过中央入口供应，并流过电极之间的间隙，在此处通过向电极施加电压而发生反应。
[0008]尽管到目前为止已经取得了一些成就，但仍然需要用于电化学合成的增强型反应器。大多数现有技术的电化学反应器的时空产率(STY)如此之低，以至于这些不利的电化学
反应器所导致的高投资成本经常破坏了涉及电合成的潜在过程的商业案例。由此产生的问题是，由于需要大量投资，可能有益的电合成工艺没有建立起来。现有技术电化学反应器的另一个问题是在电极表面出现不希望的沉积物。这些沉积物部分是由通过反应器的不利的电解质流造成的(这是由其当前的设计决定的)，其次是由高电流密度造成的，该高电流密度通常用于抵消当前电化学反应器的低表面积，以使STY最大化。
[0009]待解决的问题
[0010]因此，希望提供解决上述技术挑战的方法和装置。具体而言，将提供用于电化学合成的装置和方法，其允许增加电化学反应器的总时空产率(STY)。

技术实现思路

[0011]这一问题通过具有独立权利要求特征的反应器和方法来解决。从属权利要求中列出了可以隔离方式或任一任意组合方式实现的有利实施方案。
[0012]在本专利技术的第一方面，提出了一种用于电化学合成的反应器。
[0013]本文所用的术语“电化学合成”是一个广义的术语，并且对于本领域普通技术人员来说，它具有通常的和习惯的含义，并且并不局限于特殊的或定制的含义。该术语具体可指但不限于在电化学电解槽的中化学化合物的合成。这是一个通过电流强化目标化学反应并从而产生所需的中间体或最终产物的过程。这种产品的非限制性例子是药剂，例如止痛剂、消毒剂，以及合成橡胶材料如腈和许多其他材料。电有机合成的特别特征是电流。目标电有机合成可用来缩短常规反应。这减少了原料如催化剂的使用，并且因此可防止药物的副作用和环境污染。它还节省能源、时间和金钱。特别地，术语“电化学合成”可涵盖其中合成有机产物的有机电化学合成和其中合成无机产物的无机电化学合成。
[0014]该反应器包括配置成接收反应混合物的容器，该反应混合物包括电解介质和至少一种反应物。
[0015]这里使用的术语“容器”是一个广义的术语，对于本领域普通技术人员来说具有普通和习惯的含义，并且并不局限于特殊或定制的含义。该术语具体可指但不限于任何构造成用作原电池并构造成接收反应混合物的结构构件或装置。
[0016]这里使用的术语“反应混合物”是一个广义的术语，对于本领域普通技术人员来说具有普通和习惯的含义，并且并不局限于特殊或定制的含义。该术语具体地可指但不限于包括至少一种组分的任何流体，该组分是所谓的反应物，旨在参与电化学反应。反应混合物可以是旨在参与电化学反应的几种化学组分的混合物。流体可以是液体、气体或它们的混合物。
[0017]这里使用的术语“电解介质”是一个广义的术语，对于本领域普通技术人员来说，它具有普通的和习惯的含义，并且并不局限于特殊的或定制的含义。该术语具体可指但不限于任何具有电解特性的流体。流体可以是液体、气体或它们的混合物。电解质是一种物质，该物质当溶解在极性溶剂(如水)中时会产生导电溶液。溶解的电解质分离成阳离子和阴离子，它们均匀地分散在溶剂中。从电学上讲，这种溶液是中性的。如果对这种溶液施加电位，则溶液的阳离子被吸引到具有大量电子的电极，而阴离子被吸引到缺乏电子的电极。溶液中阴离子和阳离子的沿相反方向的运动相当于电流。这包括大多数可溶性盐、酸和碱。一些气体如氯化氢在高温或低压条件下也能起电解质的作用。电解质溶液也可由一些生物
聚合物(例如DNA、多肽)和合成聚合物(例如聚苯乙烯磺酸盐)的溶解产生，这些聚合物被称为“聚电解质”，其包含带电官能团。在溶液中离解成离子的物质获得了导电的能力。钠、钾、氯、钙、镁和磷酸盐是电解质的例子。
[0018]这里使用的术语“反应物”是广义的术语，对于本领域普通技术人员来说，它具有普通的和习惯的含义，并且并不限于特殊的或定制的含义。该术语具体可指但不限于旨在于电化学反应中反应以生成产物如中间体或最终产物的化学组分。换言之，反应物可以是添加到系统中并且在化学反应过程中被消耗的物质或化合物如反应混合物。溶剂虽然参与了反应，但通常不称为反应物。同样，催化剂不会被反应所消耗，所以它们不是反应物。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于电化学合成的反应器(100)，包括：配置成接收包含电解介质和至少一种反应物的反应混合物的容器(102)；至少一个第一电极(108)；以及至少一个第二电极(110)，所述第一电极(108)和所述第二电极(110)布置在所述容器(102)内，并且在没有电接触的情况下彼此互穿，其中所述第一电极(108)和/或所述第二电极(110)是三维网格状的，所述第一电极(108)和所述第二电极(110)布置成允许和/或有目的地引导反应混合物在所述第一电极和所述第二电极之间流动。2.根据任一前述权利要求所述的反应器(100)，其中，所述第一电极(108)和所述第二电极(110)具有相同的或不同的形状。3.根据任一前述权利要求所述的反应器(100)，其中，所述第一电极(108)和/或所述第二电极(110)以规则的或不规则的图案成形。4.根据任一前述权利要求所述的反应器(100)，其中，所述第一电极(108)和/或所述第二电极(110)是蜂窝状的。5.根据任一前述权利要求所述的反应器(100)，其中，所述第一电极(108)或所述第二电极(110)是梳状的。6.根据任一前述权利要求所述的反应器(100)，其中，所述第一电极(108)和所述第二电极(110)通过增材制造方法制成。7.根据任一前述权利要求所述的反应器(100)，其中，所述第一电极(108)和所述第二电极(110)至少部分地由包含金属的材料制成，或者其中所述第一电极(108)和所述第二电极(110)至少部分地由包含塑料和/或聚合物的材料制成。8.根据任一前述权利要求所述的反应器(100)，其中，所述第一电极(108)和/或所述第二电极(110)的至少外表面层(116，118)包含含有至少一种元素的材料，...

【专利技术属性】
技术研发人员：PV，
申请(专利权)人：巴斯夫欧洲公司，
类型：发明
国别省市：