少第一反应物与第二反应物的反应来合成产物的反应器，所述反应器包括:
[0047]由氢物质选择性可渗透固体膜(HSPM)隔开的第一室部分和第二室部分，所述氢物质选择性可渗透固体膜经配置以在第一室部分中提供膜的氢物质接收侧并在第二室部分中提供膜的产物合成侧，其中所述HSPM是根据在本文中所描述的第一方面或第二方面的经表面修饰的膜；
[0048]第一反应物入口，用于将氢物质的第一反应物来源提供给所述第一室部分；
[0049]第二反应物入口，用于将第二反应物来源提供给所述第二室部分;和
[0050]第一出口，用于获得至少所述反应的产物。
[0051]在第四方面中，提供了用于通过包括氢物质的至少第一反应物与第二反应物的反应来合成产物的系统，所述系统包括:
[0052]根据在本文中所描述的第三方面(包括其实施方案)的反应器;和
[0053]控制工具，用于控制产物合成侧上的氢的浓度或分压低于氢物质接收侧上，由此实现氢物质通过膜迀移到产物合成侧，以用于与第二反应物进行反应从而形成产物。
[0054]将理解的是，与第一和/或第二方面相关所描述的方法和/或膜的实施方案可相关地应用于根据第三方面的反应器或根据第四方面的系统。
[0055]附图简述
[0056]现将参照附图仅以举例的方式对本发明的优选的实施方案作进一步描述和阐释，其中:
[0057]图1提供了根据本发明的实施方案中的任一项所用的氢压力驱动膜的示意性表示或变体。图l(a)、(b)和(C)描绘了膜可能的表面修饰，而图1(d)和(e)更详细地描绘了当将催化剂插入、散布于或嵌入膜中时产生三重或三相反应位点的配置；
[0058]图2提供了根据本发明的一个实施方案用于产生氨的氢压力驱动膜系统的示意性表不；
[0059]图3(对照)提供了其中不施加压力从而移动的氢物质不会迀移通过膜时的对照膜系统的示意性表示；
[0060]图4提供了显示根据图1的氢渗透系统和根据图2的非氢渗透系统之间氨合成速率的比较的图表；
[0061]图5提供了显示根据本发明的实施方案的未修饰的、表面修饰的和催化剂涂覆的膜的氨合成速率的比较的图表；
[0062]图6提供了显示根据本发明的实施方案在用于产生氨的系统中温度对合成和转化率的影响的图表；
[0063]图7提供了显示根据本发明的实施方案在用于产生氨的系统中压力对合成和转化率的影响的图表；
[0064]图8提供了显示根据本发明的实施方案在用于产生氨的系统中增大氮:氢的化学计量比对合成和转化率的影响的图表，所述系统在跨膜4:3巴的压差下运行。
[0065]图9提供了显示根据本发明的实施方案在用于产生氨的系统中增大氮:氢的化学计量比对合成和转化率的影响的图表，所述系统在跨膜5:4巴的压差下运行。
[0066]图10提供了显示作为室的氢物质接收侧中的压力的函数的净氢渗透速率，此时室的产物合成侧中无氮流(或压力)，且此时还存在在5巴背压下进入室的产物合成侧中的恒定氮流;和
[0067]图11比较了在不存在表面修饰和存在表面修饰的情况下膜的反应速率。
[0068]详细说明
[0069]在以下各个非限制性的实施方案中描述了本发明，其涉及所采取的研究以确定利用选择性可渗透固体膜合成产物的改进方法。出乎预料地发现，跨越如在本文中所描述的经表面修饰的氢物质选择性可渗透膜(HSPM)施加压差提供了关于产物合成(例如由氢和氮来源合成氨)的优点。该方法可能是有效的，而不施加任何电能。在本文中所描述的方法可为工业化学品的生产和合成提供较低的能量替代，所述工业化学品目前通过使用高温和高压的相对高的能量方法例如催化方法或电解类型的方法来生产。
[0070]关于氨产生，以下优点中的一个或多个可通过在本文中所描述的实施方案中的至少一些来提供:
[0071]?关于能量输入的增高的效率和在较不严格的工艺条件下的较高的转化率；
[0072].氢可源自天然气转化，煤气化、生物质或通过水电解来产生；
[0073].含有气体例如CO2的氢原料可用于氨合成而不需要另外的气体清洁；
[0074].在控制通过膜(温度、膜类型和厚度、和跨膜的分压)的氢流量中可获得柔性以能够使氢转化率增高。
[0075].压力驱动和低压差操作提供了对于目前能源密集型方法的相对低能源的替代物。
[0076].相对于由天然气转化器或水电解器获得氢，通过根据本方法在反应器中将水_气体转移反应(H20+C0 = H2+C02)、氢/CO2气体分离过程整合可显著降低氢原料成本。
[0077]术语
[0078]如在本文中所用的术语“HSPM”指氢物质选择性可渗透固体膜，其可允许氢物质迀移通过膜。
[0079]如在本文中所用的术语“移动的氢物质”是指一种或多种氢物质，所述氢物质能够选择性地迀移通过HSPM膜，例如原子氢，其包括带正荷或带负电荷的(氢化物)氢物质。将理解的是，“移动的氢物质”将取决于所选择的膜和所采取的方法的类型。
[0080]与膜有关的术语“表面修饰”、“经表面修饰的”或类似的术语指表面的至少部分的修饰或处理以提供对于反应物物质能渗透的层，并该层包含多个反应位点，所述多个反应位点包括金属物质和用于促进在反应物物质之间在该层中的反应。“表面修饰”是例如在表面上产生三维的层，其中包括相当大的表面面积，该表面面积可用于第一反应物和第二反应物之间的催化反应。术语“反应位点”指该层中的多个位点，其中每个位点包括能够提供、传导或输送移动的氢物质的第一反应物的金属物质，且还包括用于促进在第一反应物和第二反应物之间在该层中的反应的催化剂材料。
[0081]HSPM膜
[0082]根据在本文中所描述的本发明，所述方法和反应可以使用氢物质选择性可渗透膜(HSPM)来进行，例如对于移动的氢物质选择性可渗透以用于与第二反应物的反应的固体膜。该膜包括氢物质接收侧和产物合成侧。可将包括移动的氢物质的氢物质来源提供给氢物质接收侧，并可将第二反应物来源提供给膜的产物合成侧。发现氢物质跨HSPM膜迀移至经表面修饰的产物合成侧，可导致与第二反应物来源的有效反应从而提供所需产物。
[0083]将理解的是，氢物质来源可提供作为可迀移通过膜的形式或种类的第一反应物的来源，或至少能够原位转化为可迀移通过膜的形式或种类的来源。例如，氢物质来源可包括分子氢或由分子氢组成。分子氢可在膜的表面或其附近经历原位解离以提供能够迀移通过膜的移动的氢物质。将理解的是，移动的氢物质可以是带正电荷和/或带负电荷的物质，例如氢化物或质子，其可取决于所选择的膜和所采取的方法的类型。
[0084]HSPM膜或其基材可由选自以下中的至少一种的材料来形成:
[0085].—种或多种输送氢的金属，例如钯(Pd)，钛(Ti)和镍(Ni);
[0086].输送氢的金属的一种或多种合金，例如钯的合金，包括钯-银(Pd-Ag)合金，钯_铜(Pd-Cu)合金，钯-铁(Pd-Fe)合金，钯-钌(Pd-Ru)合金，钯-钴-钼(Pd-Co-Mo)合金;或输送氢的金属与一种或多种过渡金属(包括V、Nb、Ta和Zr)的合金；
[0087].—种或多种金属陶瓷，其可包括上述金属或合金和陶瓷中的至少一种，例如质子传导陶瓷(其可提供结构稳定性和增强的氢转移的优点)或非传导陶瓷(其可提供结构稳定性的优点)。
[0088]在一个实施方案中，HSPM膜是由选自下组的氢可渗透的材料形成:钯，钛和镍，钯、钛、钒、锆、铌、钽的合金，或选自该组的一种或多种与银、铜、铬、铁、镍或钴的合金，及其金属陶瓷。在又一个另外的实施方案中，HSPM膜是由选自下组的氢可渗透的材料形成:钯，钯与银、铜、铬、铁、镍和钴中的一种或多种的合金。
[0089]在另一个实施方案中，膜材料选自Pd或Pd合金，例如Pd-Cu合金和Pd-Ag合金，或包括选自V、Zr、Ta和Nb中的至少一种的过渡金属的Pd合金。
[0090]膜(没有表面修饰)的厚度可根据所采取的方法和反应来进行选择。膜的厚度可以在以下范围(以μπι为单位)中的任何一个之间:约10至500，约20至400，约30至300，约40至200，或约50至150。膜的厚度可为至少约1(^111，3(^111，5(^111，7(^111或9(^111。膜的厚度可小于约8 O Oym，6 O Ομπι，400μηι，或 200μηι。
[0091 ] 表面修饰
[0092]HSPM膜的表面修饰出乎预料地显示了增强了膜表面的反应速率，尤其是在膜的至少产物合成侧上提供了表面修饰时。表面修饰可在膜的一侧或两侧、或其至少一部分上提供。
[0093]表面修饰可包括对于第二反应物能渗透的层，并且该层包含多个反应位点，所述多个反应位点包括金属物质和用于促进在第一反应物和第二反应物之间至少在该层中内部的反应的催化剂。例如，表面修饰可通过以下中的至少一种来提供:
[0094]a.包括催化剂的粗糙化表面；
[0095]b.插入、散布于或嵌入HSPM的催化剂组合物;和
[0096]c.包括催化剂和氢物质可渗透的金属、其金属氧化物、金属合金或金属陶瓷的涂层。
[0097]表面修饰的层通常提供膜的外层。表面修饰可向该膜提供对于第二反应物物质能渗透的层，并该层包含多个反应位点，所述多个反应位点包括金属物质和用于促进在反应物物质之间在外层中的反应的催化剂。例如，至少在该层中内部提供了促进反应的反应位点，尽管将理解还将在层自身的表面上提供反应位点。表面修饰可在膜的表面上提供三维的层，其包括对于第一反应物和第二反应物之间的催化反应可用的相当大(例如，在层自身的内部和外部)的表面面积。虽然不希望受任何理论束缚，但是将理解贯穿经表面修饰的层的每个反应位点包括能够提供、传导或输送移动的氢物质的第一反应物的金属物质，且还包括用于促进在第一和第二反应物之间在外层(例如，内部和外部)中的反应的催化剂材料，例如每个位点能够使第二反应物与邻近催化剂的第一反应物(移动的氢物质)进行反应。将理解到金属物质可以是氢物质可渗透的金属、其氧化物、金属合金或金属陶瓷，例如钯和/或钯氧化物。
[0098]关于如在本文中所描述的未经表面修饰的HSPM，表面修饰可在表面修饰的层中可提供相当大的表面面积，其可用于反应物物质之间的催化反应。例如，第一和第二反应物之间的催化反应可发生于三维结构中(例如外层中)，其中用于合成产物的可用位点相较于平坦HSPM表面上的催化剂涂层是显著增加的。后者将主要包括可用于催化反应的催化剂和HPSM之间的平坦界面。可用于催化反应的相当大的表面面积可包括催化剂相和氢可渗透相之间的界面。该界面应该可以被第二反应物接近，使得其可与氢物质反应以产生产物。
[0099]对于与氨合成有关的实施方案，将理解第二反应物来源可以是氮物质来源。在这样的实施方案中，催化剂可以