用于捕获、富集和收集大气二氧化碳的光电化学器件的制作方法

1.本发明涉及一种二氧化碳捕获装置，其包含第一反应器和第二反应器，两者都显示出含有或连接于氧析出和/或二氧化碳的析出催化剂的(光)阳极和含有或连接于氧还原催化剂的(光)阴极，其中第一反应器包括置于多孔(光)阳极和多孔(光)阴极之间的阴离子交换膜，第二反应器包括置于多孔(光)阳极和多孔(光)阴极之间的质子交换膜。在第一反应器的多孔(光)阴极侧上具有能够运载二氧化碳、空气和水的流体入口，并且在第二反应器的多孔(光)阴极侧上具有能够运载二氧化碳和水的流体出口，该装置被配置为将离开第一反应器的多孔(光)阴极侧的流体转移到第二反应器的多孔(光)阳极侧，和将离开第一反应器的多孔(光)阳极的流体转移到在第二反应器的多孔(光)阴极侧。
2.在本发明的优选实施方案中，流体入口流动中涉及的流体是气态的，即水和二氧化碳以及从环境空气中捕获的氧。


背景技术：

3.人为二氧化碳排放正在造成全球环境危机，例如增加倾向的自然灾害(如洪水和干旱)，巨大的冰融化导致平均海平面上升，和不能快速进化以幸存于新气候条件的动植物的大规模灭绝。
4.随着引入可再生电源和改善的能效，希望二氧化碳水平在未来几年下降。然而，仅此不足以解决气候危机。事实上，来自国际气候变化小组的最近报告表明，碳捕获和储存-排放二氧化碳的捕获及其长期储存(例如在地下)将在限制全球变暖程度方面发挥重要作用。具体而言，到2050年将会有必要在2℃场景中捕获和储存14％的二氧化碳排放，在低于2℃场景中则是32％。
5.虽然捕获富集二氧化碳的溶液是众所周知的，并且已经在中等规模上商业化，但是现在较少应对从不可避免的和非富集的来源排放的二氧化碳，例如运输(目前)，可能需要抵消的内置二氧化碳排放的制造业，和农业。非富集二氧化碳的捕获称为直接空气捕获。
6.在现有技术中，在wo 2019/136374a1中公开了电化学直接空气捕获。在此，使用质子偶联的氧化还原活性物质，例如醌、吩嗪、咯嗪、异咯嗪或多金属氧酸盐(polyoxometalate)，其质子化和去质子化可以被电化学地控制以改变水性溶液或水性悬浮液的ph。ph的该变化可用于螯合(sequester)和释放co2。或者，可以利用胺、醌和其他离子液体的氧化和还原循环。可以根据分子的氧化态选择性地结合和分离co2，允许受控捕获，然后在收集入口处释放气体。
7.在us8791354b2中公开了光电化学二氧化碳捕获。氧化还原介体用于通过液体电解质(非水性溶剂或离子液体)将co2从装置的一侧转移到另一侧。不是采用电力从外部源转移co2，而是将光用于在半导体内产生电荷(尽管也可以例如在夜晚使用外部源)。然后，可以使用该电荷来推动co2经过器件。另外，当co2抑制被旁绕(by-passed) 时，该装置可以用作光伏电池。
8.除了如上所述的胺循环和二氧化碳的(光)电化学直接空气捕获，膜基质方法也是
已知的，如公开于us7993432b2、us2015/0165373a1、 us2012/0220019a1和美国10150112b2。将co2吸附剂暴露于气体混合物并使其吸附co2。然后通过再生过程从吸附剂中释放该气体以产生富含气体的混合物，然后将富集co2气体的混合物与水溶液接触，其选择性地吸收co2。吸附剂材料可以是具有相对大的表面积(具有最小阻力的空气流)的固相阴离子交换膜-开放的基质或涂覆在载体材料例如纤维素基质上。
9.关于co2捕获装置，当前的溶液是i能量密集的，ii高成本的和 iii提供用于安装的极少金融激励(除了避免未来的碳税，未来成本仍未确定)。
10.与电化学、膜基质和胺循环方法相比，期望提供与co2捕获并行的产生电力的激励性概念。优选提出固态装置-简化安装和操作，并避免使用外来化学物质，例如昂贵且难以规模化的氧化还原介质。


技术实现要素：

11.本文描述的本发明是用于太阳能驱动的直接空气二氧化碳捕获和分离的装置。它利用阴离子交换膜选择性地将二氧化碳捕集在装置的第一反应器中，优选使用偏置自由电流，将其转移到在装置的第一反应器的另一侧上的存储区域。然后，该装置的第二反应器通过质子交换膜将氧转化为水，用于促进(facile)与二氧化碳的分离。另外，电力也由与二氧化碳捕获并行的装置提供。它可以被认为是具有二氧化碳捕获功能的光伏件。本发明的装置可用于捕获来自环境空气或点(富集)源的co2。从环境空气中捕获co2是优选的，因为当浓度太高时，每单位面积可产生的太阳能可限制从膜的一侧到另一侧的co2转移。
12.因此，本发明描述了通过阴离子交换膜通过氧化和还原循环的用于捕获和富集co2的光电化学固态装置。然后，该富集气流进入第二光电化学电池(反应器)，其通过除去不需要的氧而充当co2净化器。
13.在该上下文中，本发明因此提供了一种二氧化碳捕获装置，包括：
14.(a)第一反应器，其包含置于多孔(光)阳极和多孔(光)阴极之间的阴离子交换膜，其中(光)阳极含有或者物理连接或电连接于氧析出和/或二氧化碳析出催化剂，而(光)阴极含有或者物理连接或电连接于氧还原催化剂；
15.(b)第二反应器，其包含置于多孔(光)阳极和多孔(光)阴极之间的质子交换膜，其中(光)阳极含有或者物理连接或电连接于氧析出催化剂，而(光)阴极含有或者物理或电连接于氧还原催化剂；
16.其中第一反应器的多孔(光)阴极至少具有能够运载二氧化碳、空气和水的流体入口，并且第一反应器的多孔(光)阳极至少具有能够运载水和氧的流体入口，
17.第二反应器的多孔(光)阴极至少具有能够运载二氧化碳和水的流体出口，并且第二反应器的多孔(光)阳极至少具有能够运载水和氧的流体出口，
18.其中二氧化碳捕获装置被配置为将离开第一反应器的多孔(光) 阴极的流体转移到第二反应器的多孔(光)阳极，并将离开第一反应器的多孔(光)阳极的流体转移到第二反应器的多孔(光)阴极。
19.在一个优选的实施方案中，第一和第二反应器的阳极都是光阳极。然而，光吸收体可以不在作为光阳极的阳极侧上，而是在阴极侧上，在第一和第二反应器的阳极与光阴极的组合中。或者，可以使用光阳极和光阴极的组合。对于第一和第二反应器，应存在至少一
个光吸收体。因此，其中任一者都不是光吸收体的阴极-阳极的组合不合适，但是其他组合是可能的，例如光阳极-阴极，阳极-光阴极和光阳极-光阴极。
20.在本发明的装置中，在其各种实施方案中，所有入口可以是液体或气体的入口。在优选的实施方案中，进入的水来自环境空气(湿度)，并且适合于气体传输的入口是优选的。本发明装置的适当出口也是特别适合于气体传输的出口。
21.用于本发明的(光)电极(作为第一或第二反应器的多孔(光) 阴极或多孔(光)阳极)有利地沉积或生长在多孔电传导性载体材料上或由其负载。在本发明的实践中，多孔电传导性载体特别是向(光) 阴极或多孔(光)阳极构建体而不是(光)阴极或多孔(光)阳极材料本身提供多孔特性。用于第一和/或第二反应器的多孔(光)阴极或多孔(光)阳极的适当(光)电极载体材料例如是与碳、钛、钨、不锈钢、镍或电传导性氧化物相关的多孔(例如网、毡、泡沫、布、纸) 基材。这样的多孔载体材料也可在本领域中称为“气体扩散电极”，可以适当地包含10至90％，更优选30至80％的空隙，优选允许流体渗透，特别是气体转移。多孔载体材料可以例如是网或毡的形式。网，单层多孔材料，可以显示10至80％的空隙(开放的区域)，优选20
‑ꢀ
60％的空隙。多孔载体材料的表面积可以适当地在每cm2几何面积的 10至1000cm2的范围内(对于毡)。多孔载体材料可以适当地显示1 至1000微米，优选100至400微米的本体层厚度。就光电极厚度而言，至多5微米，优选最多1微米通常是适当的。在这样的多孔载体材料上，可以沉积经特别选择以促进电催化反应的(光)阴极或(光) 阳极材料，如下面将更详细描述的那样。多孔(光)阴极或多孔(光) 阳极材料的厚度可以小于5微米，更优选小于1微米，例如约300nm。可以提供适当的(助)催化剂材料作为厚度优选小于200nm，更优选小于50nm的层。对于(光)阴极或(光)阳极材料，助催化剂材料可以提供高达100倍的性能增益。经特别选择以促进氧还原或氧析出和/或二氧化碳析出的添加的(光)电极材料的量可通常为1质量％以下，相比于多孔载体材料的质量，例如网、毡或泡沫形式的，且添加的(助)催化剂材料的量通常会小于添加的材料的量。
22.在本发明的装置中，可以存在第一和/或第二反应器的(光)阳极和(光)阴极之间的电传导性线。这意味着，任一反应器的(光)阳极和(光)阴极无需彼此接近-(光)阴极可以在不同的腔室中，前提是它具有电连接。最适当地，(光)阳极和(光)阴极通过它们之间的电接触(例如线)连接。产生的电力可在本发明装置的有利功能中用于灯或强制对流。
附图说明
23.图1显示了通过本发明的二氧化碳捕获装置的第一反应器的二氧化碳(co2)富集的示意图，包含能够进行氧还原反应(orr)的光阴极和能够进行氧析出反应(oer)/二氧化碳析出反应(co2er)的光阳极。这里的符号“h
+”是指正极空穴(hole)，吸收电子。
24.图2示出了各种半导体的带隙，具有以虚长线表示的氧析出和还原的电位，-基于参考文献nanoscale horiz.，2016，1，243-267。
25.图3显示了通过本发明的二氧化碳捕获装置的第二反应器的二氧化碳(co2)分离的示意图，其包含能够进行氧还原反应(orr)的 (光)阴极和能够进行氧析出反应(oer)的光阳极。
26.图4a示出了组合的装置配置，其中将捕获和分离功能组合到一个装置中，这里以示例性配置示出为图4a。
27.图4b示出了组合的装置配置，其中将捕获和分离功能组合到一个装置中，这里以示例性配置示出为图4b。
28.图5示出了通过阴离子交换膜中的吸收捕获二氧化碳(co2)。在图5中，光从(光)阳极侧照射。在仅存在光阴极(与阳极)的情况下，优选的是从相对侧照射光。
29.图6a示出了在装置的相对侧上收集的气体，所涉及的装置的部分如图6a所示。
30.图6b示出了在装置的相对侧上收集的气体，结果在图6b中。
31.图7a示出了使用本发明的概念的co2分离的实验数据，所涉及的装置的部分如图7a所示。
32.图7b示出了使用本发明的概念的co2分离的实验数据，结果在图7b中。
33.图8示出了可以在本发明内使用的可能的装置结构元件。
具体实施方式
34.本发明涉及一种装置，该装置包含彼此连接的两个膜反应器。所述反应器可以以各种配置放置，例如但不限于一个在另一个旁边或另一个在另一个上，如果第一反应器是足够透明的。
35.在相对于已知的二氧化碳捕获装置可观察到的一个或多个优点中，本发明可以看作提供：
36.1)易于实现的独立装置；和/或
37.2)通过将o2转化为h2o(气体至液体)来分离o2和co2的新方法。
38.本发明提供了一种通过连续氧还原/氧化循环将co2从吸附剂转移到收集器的新机制。迄今，(光)电化学co2吸附已被限于离子液体，且氧化还原介质通常是昂贵的外来材料。本发明提供了一种用于简单的固态装置设计的机制，其捕获co2并同时产生电力-激励其使用。另外，提出了通过将o2转化为h2o来分离o2/co2的光电化学方法。本发明设计：
39.i.利用氧还原和氧析出反应循环以产生偏置自由电流作为驱动hco
3-离子通过阴离子交换膜的方式。
40.ii.利用水推动h
+
离子通过质子交换膜。
41.iii.使用太阳能驱动反应，在同一装置中具有并行电力产生(但是本发明也可以由外部电源供电或支持)。
42.第一反应器的功能是从大气中除去co2，这可以理想地直接从环境空气除去或替代地从浓溶液如khco3除去。实际上，在该替代实施方案中，在液体溶液中例如通过koh
→
khco3转化而捕获co2的努力，可以与集成在本发明中的系统组合，以从khco3中扣除co2并尤其在第一反应器(117)的光阳极的流体出口侧处富集。
43.第一反应器包含置于多孔(光)阳极和多孔(光)阴极之间的阴离子交换膜。(光)阳极含有或者连接(物理或电)于氧析出和/或二氧化碳析出催化剂，而(光)阴极含有或连接于氧还原催化剂。这可以产生偏置自由电流，其中仅通过光辐照产生光电流，并且不需要施加的电位偏差。为了从光电极有效地产生光电流，可需要太阳光和跨光电极施加的电位偏差。其主要功能是改善e-和h
+
之间的电荷分离。但是，施加电位增加了额外的复杂性程度。在本发明的有利实施方案中，可以仅在光辐照下产生光电流，即不需要施加的电位偏差。阴离子交换膜通过天然或强制对流从大气中吸收co2以形成hco
3-离子。可以例如通过使用风扇
或泵以使空气受迫/循环通过装置来进行强制对流。该装置可以在没有强制对流的情况下操作，但这是加速阴离子交换膜内的co2吸附的可能实施方案。在太阳辐照下，在偏置自由电流下，使hco
3-离子迫向装置的另一侧，即第一反应器(117)的光阳极的oer和co2er流体出口。收集步骤可以主要在夜间适当进行，但是在阳光辐照下与转移步骤并行(图1)的收集也是可以的。集收在相对侧上的混合物是co2和o2的混合物，但优选较高浓度的co2。用于进行氧析出和氧还原的总过电位损失约为0.7v，提供了具有合适带隙的各种材料作为潜在的光电极(图2)。
44.在本发明中，用于含有阴离子交换膜(aem)(112、212、312、 412)的第一反应器(1)的多孔(光)阳极(113、213、313、413)的适当材料是与具有合适带隙的aem兼容的n型或p型(光)电极材料(根据图2)。实例包括bivo4、tio2、wo3，其可以与(光)阴极组合以达到oer/co2er和orr电位。tio2是用于器件制备的实用例，但tio2的带隙大，基本上限制了uv光的吸收。具有较小带隙的材料(其中导带(cb)和价带(vb)在oer/co2er和orr反应电位的任一侧上)是有利的。越小的带隙将使可见光的越高吸收成为可能，这允许在实际应用中使用显著更多的能量。带隙约为1.0至2.0ev 且导带边缘低于约0.7ev(vs.nhe)和价带高于1.7ev(vs.nhe) 的材料是合适的，这里nhe(＝正常氢电极)是参考电极和1m酸溶液(ph＝0)中铂的电位。第一反应器(1)的多孔(光)阳极的优选材料可以选自：bivo4、tao
x
ny、latio2n、batao2n、srtao2n、wo3、 cuwo4、fe2o3、znfe2o4、tio2。特别优选的名单由以下构成：bivo4、 tio2、wo3。保护层或助催化剂(光电极上的催化剂，材料可以是相同的)可以增强性能和/或为碱性环境提供化学相容性。第一反应器(1) 的多孔(光)阳极(113、213、313、413)的oer/co2er(助)催化剂材料可以适当地包括基于以下一种或多种的催化剂：(a)oer:ni， ni raney，nico，nife，nip，cop，copi，srcoo3，ru，mg，ag， au；(b)co2er:ni，ni raney，lanio3，lamno3，ag，ru，au， pt，pt3m其中m＝ni、co、y，ptru，co，nip，cop，fep，nico， nimo，niw(及该名单中所有金属的氧化物)。对于co2er，这些材料可以是单独的，或负载在例如碳上。可以通过外涂层如tio2提供保护。此外，在使用tio2作为多孔光阳极的材料的情况下，不需要助催化剂-tio2是自催化的。
45.在本发明中，含有质子交换膜(pem)(122、222、322、422) 的第二反应器(2)的多孔(光)阳极(123、223、333、423)的适当材料与对于以上第一反应器的多孔(光)阳极所述的材料虽不相同但相似。实际上，两种反应器的不同环境产生不同的潜在稳定性问题，而反应器1的膜是碱性的，并且反应器2的膜是酸性的。
46.因此，用于第二反应器(2)的多孔(光)阳极的优选材料可以选自：bivo4、tao
x
ny、latio2n、batao2n、cuwo4、wo3、tio2。保护层或助催化剂可以增强性能和/或为碱性环境提供化学相容性。 oer催化剂可以有利地包括：ir、mg、ru、rh及其氧化物(例如irox、rhox)、pt、pd、au。orr催化剂可以有利地包括：ru、au、pt、 pt3m其中m＝ni或co或y、ptru、nip、cop、fep、nico、nimo、 niw。这些可以单独使用或负载在例如碳上。用于第二反应器(2)的多孔(光)阳极(123、223、323、423)的oer(助)催化剂材料可以优选包括基于以下的催化剂：ir、mg和/或ru。可以通过外涂层如 tio2提供保护。此外，在使用tio2的情况下，不需要助催化剂，tio2是自催化的。
47.在本发明中，含有阴离子交换膜(aem)(112、212、312、412) 的第一反应器(1)的多孔(光)阴极(111、211、311、411)的适当材料(112、212、312、412)通常是与具有合适带隙和
边缘的碱性交换膜相容的p型(光)电极材料(根据图2)。阴极材料的实例包括： pt/c、pt-ru/c、au/c、ni/c和ni-毡，其中优选：pt、pt-ru/c。带隙约为1.0至2.0ev且导带边缘低于约0.7ev(vs.nhe)和价带高于约1.7ev(vs.nhe)的材料是合适的。第一反应器(1)的多孔(光) 阴极的优选材料可以选自：si、mos2、mose2、ws2、gap、cds、cdse、 znse、cunbo4、pmpdi、inp、wse2、znfe2o4、cunbo3、pmpdi、 cu2o、g-c3n4、cigs、cigse、cafeo2、和/或cufeo2。保护层或助催化剂可增强性能。第一反应器(1)的多孔(光)阴极(111、211、 311、411)的orr(助)催化剂材料可以适当地包括基于以下的催化剂：ni，ni raney，lanio3，lamno3，ag，ru，au，pt，pt3m其中m＝ni、co、y，ptru，co，nip，cop，fep，nico，nimo，niw， ir，mg，ru，pt，rh，和/或rhox。可以通过外涂层如tio2提供保护和或提供与碱性环境的化学相容性。碳也是合适的阴极，但需要使用催化剂如铂，pt/c阴极通常为60:40pt：c(重量)。
48.在本发明中，含有质子交换膜(pem)(122、222、322、422) 的第二反应器(2)的多孔(光)阴极(121、221、321、421)的适当材料与以上对于第一反应器(1)的多孔(光)阴极的材料虽然不同但相似。因此，第二反应器(2)的多孔(光)阴极的优选材料可以选自： si、mos2、mose2、ws2、gap、cds、cdse、znse、cunbo4、pmpdi、 inp、wse2、znfe2o4、cunbo3、pmpdi、cu2o、g-c3n4、cigs、 cigse、cafeo2、和cufeo2。保护层或助催化剂可增强性能。第二反应器(2)的多孔(光)阴极(121、221、321、421)的orr(助) 催化剂材料可以适当地包括基于以下的催化剂：ru，au，pt，pt3m其中m＝ni、co、y，ptru，nip，cop，fep，nico，nimo，和/或niw。通过如tio2的外涂层可以确保保护。碳也是合适的阴极，但需要使用催化剂如铂，pt/c阴极通常为60:40pt：c(重量)。
49.在本发明中，用于第一反应器的阴离子交换膜(aem)(112、212、 312、412)可以适当地是：含有季铵基团的阴离子交换膜材料(例如以以下商业名称出售的那些：faa、a201、tm1、)或具有季铵基团的低密度聚氨酯；含有咪唑鎓或聚苯并咪唑基团的阴离子交换膜材料(如以以下商业名称出售的那些：)或三胺或二胺交联的季铵化聚砜。优选的阴离子交换膜材料是含有季铵基团的阴离子交换膜材料、具有季铵基团的低密度聚氨酯，或含有咪唑鎓或聚苯并咪唑基团的阴离子交换膜。特别优选的选择是使用基于具有乙烯基苄基氯和咪唑鎓基团的材料 (例如以商业名称：出售的材料)的阴离子交换膜。包括接枝的ldpe的低密度聚乙烯(ldpe)是本发明中阴离子交换膜 (aem)的另一优选实施方案。
50.用于第二反应器的质子交换膜(pem)(122、222、322、422) 例如适当地基于多磺酸(polysulfonic acid)材料，例如以名称和商售的那些。可以使用其他质子交换膜。一般而言，可用于实施本发明的质子交换膜的材料可以是全氟碳磺酸或多磺酸聚合物(如以以下名称商售的那些：多磺酸聚合物(如以以下名称商售的那些：-f、sx)，聚苯并咪唑膜(特别是可能的高温使用)，例如以以下名称商售的那些： am、st、聚丙烯酸和烃膜(例如以以下名称商售的那些：st、p、e)。质子交换膜的优选材料是：全氟碳磺酸或多磺酸聚合物、或聚丙烯酸，最优选全氟碳磺酸或多磺酸聚合物。
51.在本发明中，第一或第二反应器的多孔(光)阳极和/或多孔(光) 阴极可以是离聚物涂覆的，这可有助于增加co2吸附能力。用于这样的涂层的离聚物可以特别地包括上面提到的用作阴离子交换膜(aem) 或质子交换膜(pem)的离聚物材料。在第一反应器中(具有aem)，离聚物涂层的负载优选为至多50mg/cm2，更优选0.5至10mg/cm2。在第二反应器中(具有pem)，离聚物涂层的负载优选为至多 50mg/cm2，更优选0.5至10mg/cm2，更优选为1.0至5.0mg/cm2，例如约3.0mg/cm2。离聚物涂层对于实施本发明不是必要的，且例如第二反应器的多孔(光)阳极和/或多孔(光)阴极的离聚物涂层不需要另外的例如第一反应器的多孔(光)阳极和/或多孔(光)阴极的离聚物涂层。此外，离聚物在第一或第二反应器的(光)阳极和(光)阴极侧上不需要相同，但是设计了该选项用于本发明的实践。
52.本发明提供了可以是完全固态的装置。因此，如图1所示的碳酸氢根hco
3-阴离子可以在不存在任何液体的情况下产生，而阴极和阳极都进入气态。这里可以注意到，对于大多数离子交换膜材料，如多磺酸材料，包括以名称出售的那些，膜本身是吸湿的。因此，在实践中，膜内部有水，其允许hco
3-的流动。然而，可能没有完全“液体”水，并且膜在水合时仍然保持塑料状/聚合物结构。在本发明的装置的适当现场使用中，水合的水可以来自环境湿度。然而，在非常干燥的条件(低相对湿度，沙漠)下，可能需要额外的液态水。
53.第二反应器的功能是在co2/o2混合物中转化任何剩余的o2，其可以通过管道转移到第二反应器中，进入水中以促进co2的纯化(液体和气体的分离)。第二反应器包括置于多孔(光)阳极和多孔(光) 阴极之间的质子交换膜。(光)阳极(物理或电)连接于氧析出催化剂，而(光)阴极连接于氧还原催化剂(图3)。可以容易地分离co2/ 水混合物，且可储存/用于其他应用。
54.具有将捕获和分离功能组合到一个装置中的可能性，例如，图4 中所示的两种配置。
55.因此，在图4a中示出的示例性实施方案的装置中，本发明提供一种二氧化碳捕获装置，其中：
[0056]-第一反应器的多孔(光)阴极具有流体入口和流体出口，二者都能够运载在空气和水中的二氧化碳，并且第一反应器的多孔(光)阳极具有流体入口和流体出口，二者都能够运载水和氧；
[0057]-第二反应器的多孔(光)阴极具有流体入口和流体出口，二者都能够运载二氧化碳、氧和水，并且第二反应器的多孔(光)阳极具有流体入口和流体出口，二者都能够运载水和氧，
[0058]
其中，第一反应器的多孔(光)阴极的流体出口流体地连接于第二反应器的多孔(光)阳极的流体入口，以及第一反应器的多孔(光) 阳极的流体出口流体地连接于第二反应器的多孔(光)阴极的流体入口。
[0059]
因此，在图4b中示出的示例性实施方案的装置中，本发明提供了一种二氧化碳捕获装置，其中：
[0060]
第一和第二反应器置于由分隔体分隔的固结块(consolidatedblock)中，使得第一反应器的多孔(光)阴极位于与第二反应器的多孔(光)阳极相对，并通过分隔体与其分隔，并且第一反应器的多孔 (光)阳极与第二反应器的多孔(光)阴极相对，并通过分隔体与其分隔，并且包括第一反应器的多孔(光)阴极的流体入口和第二反应器的多孔光阳极的流
体出口的单一流体管线沿着固结块的一个壁行进，并且包括第一反应器的多孔(光)阳极的流体入口和第二反应器的多孔(光)阴极的流体出口的另外单一流体管线沿着固结块的另一壁行进，两个壁彼此面向并且两者与分隔体接触。
[0061]
在图4b中间的散列(hashed)边界区域是分隔反应器1和2(第一和第二反应器)的框架/空间。散列边界区域的基本功能是避免两个反应器之间的接触。
[0062]
操作示例
[0063]
在用于使用本发明的二氧化碳捕获装置的适当方法中，首先在夜间期间，使阴离子交换膜吸收co2。在15小时后，该类型的膜吸收约 95％的其co2容量(图5)，使其理想用于以阳光日夜循环。
[0064]
然后，开始光辐照以富集co2。这产生电荷(光电流-i(ma)
‑ꢀ
图6)，其推动离子穿过阴离子交换膜(图1)。在第一反应器(图6) 的相对侧上收集的气体为约4：1o2：co2的比例(作为对比，环境空气为2000：1o2：co2)。随着收集气体，在流体输出中获得co2，如图1的底部作为气态混合物h2o、o2和co2的一部分所示。
[0065]
表1
[0066] i(ma)oer(ppm)co2er(ppm)对co2选择性实验363017027％理论35601120(35％)
[0067]
这里的oer是指一种反应(氧析出反应)co
2 er意指co2析出反应。oer(ppm)意指第一反应器的流体出口(117、217)中的氧水平，和co2er(ppm)指第一反应器的流体出口(117、217)侧中的co2水平。
[0068]
在这里用以下进行(oh-)-pec单元中的二氧化碳捕获和分离：
[0069]-入口-阴极：he中3％h2o+400ppmco2；
[0070]-入口-阳极：》he中3％h2o；
[0071]-电解质：接枝的ldpe阴离子交换膜。这里，ldpe是低密度聚乙烯，而“电解质”是阴离子交换膜(aem)
[0072]-光阳极：tio2/ti-毡(基材)
[0073]-阴极：pt/c
[0074]-uv灯：7mwcm-2
强度
[0075]-在二氧化碳中预处理：过夜
[0076]
这里“(aem)-pec单元”是指含有阴离子交换膜的第一反应器。 pec代表“光电化学”。第二反应器是(pem)-pec单元，也含有阴离子交换膜。
[0077]
已经测试了不同阴极的氧还原反应/co2er。pt/ru、au和ni. pt/ru和pt给出了有希望的结果，并认为在优选的选择中。
[0078]
下一步骤是通过质子交换膜，再次通过氧还原和氧析出循环从o2转化成h2o(图3)。再次，当光照射在装置上以产生电荷载流子时开始反应，这推动h
+
离子通过膜。当开灯时，可以看到o2浓度的清晰下降。
[0079]
在此用以下进行pem(h
+
)-pec单元中的氧纯化：
[0080]-入口-阳极：he中3％h2o+500ppm co2+500ppmo2；
[0081]-入口-阴极：2％h2o；
[0082]-流量：50sccm(标准立方厘米/分钟)
[0083]-电解质：proton交换膜(pem)
[0084]-光阳极：tio2/ti-felt，离子涂覆的
[0085]-阴极：pt/c
[0086]-uv灯：7mwcm-2
[0087]
数据示出了稳定的co2信号，且o2信号减少25ppm，其对应于约65％的感应效率。
[0088]
附图标记概述
[0089]
1：第一反应器
[0090]
111、211、311、411:第一反应器的(光)阴极
[0091]
112、212、312、412：第一反应器的阴离子交换膜(aem)
[0092]
113、213、313、413：第一反应器的光阳极
[0093]
114、214、314、414：第一反应器的(光)阴极的流体入口
[0094]
115、215、315、415：第一反应器的光阳极流体入口
[0095]
116、216：第一反应器的(光)阴极的流体出口
[0096]
117、217：第一反应器的光阳极的流体出口
[0097]
2：第二反应器
[0098]
121、221、321、421:第二反应器的(光)阴极
[0099]
122、222、322、422：第二反应器的质子交换膜(pem)
[0100]
123、223、323、423：第二反应器的光阳极
[0101]
124、224：第二反应器(光)阴极的流体入口
[0102]
125、225：第二反应器的光阳极的流体入口
[0103]
126、226、326、426：第二反应器的(光)阴极的流体出口
[0104]
127、227、327、427：第二反应器的光阳极的流体出口
[0105]
330、430：用于第一和第二反应器的固结块组件的分隔体。