[发明专利]复合膜、用于化学合成的方法及包含所述复合膜的反应器

说明书

本发明涉及一种用于化学合成的复合膜，一种使用该复合膜的方法，以及一种引入复合膜的化学反应器。

大多数过氧化氢(H₂O₂)是通过十分有名的蒽醌方法制备的。例如参见Binran,1 Appl.Chem.,Ed.Chem.Soc.302(Japan 1986)。这种方法的缺点之一是需要添加许多有机溶剂，形成许多不希望的副产品，以及需要不同的分离步骤。相反，燃料电池提供一种通过H2和O2在一种单一反应器中不使用有机溶剂直接安全地反应来合成的可能装置。

使用一种设计与燃料电池相似的反应器电池提供一种反应物通过离子交换膜分隔开的环境。例如，就H₂O₂合成来说，将H₂和O₂反应物分隔开是有利的，因为反应物的混合物可能是易爆炸的以及构成十分严重的对安全的危害性。反应物的分隔使得允许安全使用相对高的压力以提高反应速率。反应器电池也为使用催化剂提供有效环境，该催化剂对特定反应是最佳的。

然而，燃料电池和反应器电池一般需要复杂的电气设备以便收集电子并将电子从电池的一边传递到另一边。这种设备通常不适合于大规模的生产操作。其它的方法需要输入外部电能，使用耐腐蚀的设备，或者两者都需要。此外，为了有效，许多反应器电池需要相对高的操作温度(例如70℃～90℃)。因此希望有一种方法和反应器电池，其不需要有机溶剂、复杂的电气设备，或输入外部电能，但仍能减少爆炸的危险并且在室温下是有效的。

本发明力图消除上面所表明的许多困难。现在已经发明一种不需要复杂的电气设备或输入外部电能的反应器电池。这种反应器电池还提供一种通过H₂和O₂在单一反应器中在没有有机溶剂的情况下直接安全地反应来有效地在室温下合成H₂O₂的装置。反应器电池具有一种含有电子传导材料和阳离子传导材料二者的复合膜。对于本发明来说，提到的任何“阳离子”也包括“质子”。因此，一种阳离子传导材料本来也是一种质子传导材料。通过用一种阳离子传导材料例如一种全氟化磺酸(PFSA)的聚合物填充一种多孔的电子导体，例如石墨布、碳纸或多孔金属，电子导体成为传递活化反应物所需的电子的通道。此外，阳离子传导材料的表面可以涂上适当的催化剂以提高特定反应的有利性。

这种反应器电池在进行许多不同的化学合成反应中是有效的，例如：由H₂和O₂合成H₂O₂；SO₂、H₂O和O₂合成H₂SO₄(参见Langeret al.,“Chemicals with Power,”Chemtech 226,229(1985.4))；由有机硝基化合物合成胺类染料(参见Spillman et al.,“Why Not MakeChemicals in Fuel Cells？,”Chemtech 176,182(1884.3))；以及由苯合成苯酚(参见Otsuka et al.,“Direct Synthesis of Phenol fromBenzene during O₂-H₂ Fuel Cell Reaction,”139[No.9]J.Electrochem.Soc.2381(1992))。这些反应当中，H₂O₂的合成目前被认为是非常重要的，并且应该在这里更具体地加以讨论。然而，本领域的普遍技术人员能够使本发明的复合膜体系适应其它的化学反应，包括电化学反应，而且仅仅具体地讨论H₂O₂的合成并不意味着限制本发明的范围。

具体地讲，本发明的第一个方面包含一种多相传导通道。多相传导通道包括一种紧密的、基本上不透气的、电子传导材料与阳离子传导材料的多相混合物，其中电子传导相完全内分散在整个阳离子传导相中。“内分散”的意思是相(虽然是独立并基本上连续的)是整体地被混合的，这样电子传导相是一种互相贯通的网络以及相对于阳离子传导相来说不会仅仅被安置在外部。词组“基本上不透气的”的意思是混合物可以防止气体通过混合物，除极少量的气体之外(也就是说，就相关的气体来说，混合物是无孔隙的，而不是多孔的)。在某些情况下，轻微程度的透气性是可以接受的或不可避免的，例如当存在氢气时。