使耗氧氣體和含氧氣體反應的電化學反應器電池的製作方法

2023-05-17 01:41:06 2

專利名稱：使耗氧氣體和含氧氣體反應的電化學反應器電池的製作方法
本申請是本申請人1990年12月24日提交的91100737.7號發明專利申請的分案申請，原申請題為「固體多組分膜、電化學反應器元件、電化學反應器和膜、反應器元件以及反應器在氧化反應中的使用」。
本專利申請是下列美國專利申請的接續申請日為1989年12月27日，申請號為07/457,327的申請；申請日為1989年12月27日，申請號為07/457,340的申請，該申請則為1987年3月13日，申請號為07/25,511，並於1990年6月12日公布的專利號為US4933054的美國專利申請的接續；申請日為1989年12月27日，申請號為07/457,384的申請；和申請日為1990年4月16日，申請號為07/510296的申請，該申請則是申請日為1989年5月25日，申請號為07/357,317(現已放棄)的申請的接續，這些申請已被引用在本發明中。
本發明涉及便於氧的轉移的電化學反應器，本發明的特別涉及氧半透膜，用於包括氧半透膜的電化學反應器的元件，電化學反應器、和它包括氧半透膜和任選的催化劑的反應器元件，以及電化學工藝，該工藝使用氧半透膜和任選的催化劑使得電化學工藝易於進行，該工藝利用氧轉移使其從含氧氣體轉移至耗氧氣體。
合成氣主要由氫氣和一氧化碳組成。通常，H2/CO摩爾比約在0.6至6之間。用部分氧化法使用輕質烴例如甲烷和天然氣生產合成氣的方法是已知的。本發明描述了一種具有固體多組分膜的電化學反應器，這便於輕質烴電催化轉化為合成氣。
許多出版物描述了完全將甲烷氧化為二氧化碳和水的燃料電池。這些燃料電池並非用來進行化學過程的，而是用於由燃料氣和空氣(或氧氣)發電的。將燃料電池中進行的過程用於完全燃燒而不是部分燃燒，並且該過程需要一個完整的外部電路使燃料氣進行氧化。
本發明電化學反應器的其他用途包括烴類部分氧化形成烯烴、乙烷的部分氧化、芳族化合物的取代，從一種或多種含氧氣體例如SO2SO3、N2O、NO、NO2、水蒸汽、CO2中萃取氧、甲烷的氨解氧化，等等。
飽和有機化合物轉化為不飽和化合物的脫氫工藝是已知的。為了提高所要產品的轉化率和選擇性，近幾年已經進行了不懈的努力以改進上述工藝，本發明描述了一種飽和烴脫氫的連續工藝。例如乙烷脫氫成為乙烯和乙炔，丙烷脫氫成為丙烯和丙炔。在本發明工藝中，水是副產品，並可以發電。
工業用的乙烷脫氫方法，它是一個有限熱反應的平衡，必須依靠使用高的反應溫度，才能獲得比較好的乙烯的單程產量。由於需要高溫，裂化和焦化反應速率是高的，足以對產品的選擇性產生有害影響。
慣用的氧化脫氫方法，它本身不是有限的平衡，它在高的乙烷轉化率時也具有差的產品選擇性的缺點。
本發明克服了已有技術的方法的固有缺點，以便達到高的不飽和烴的轉化率的同時，裂化和焦化的競相反應速率是低的。
芳族化合物的取代方法也是已知的，為了提高所要產品的轉化率和選擇性，近幾年已經進行了不懈的努力。本發明描述了一種芳族化合物的取代的連續的方法，例如，用第二含氫化合物取代苯。在本發明的方法中，水是副產品，並且能發電。
眾所周知，從一個固定或移動的源例如電廠、汽車、船、火車等產生的氣流中例如硫和氮的氧化物是有害汙染物。也已經知道氧化硫與水蒸汽結合形成高度腐蝕性的蒸汽，它能刺激眼睛和黏膜，損壞含金屬的構件，並且由於下酸雨而可以對植物造成環境危害。氮的氧化物是有毒的刺激物，並且它也能破壞環境。硫化羰(COS)是另一種有毒的汙染物，它是由在廢氣中含硫化合物和一氧化碳反應形成的產物。向大氣中排放這些汙染物的條件已經變得極為嚴格。本發明描述了一種從氣流中除去硫和氮的氧化物的電催化方法和電化學電池，它使用燃料氣的化學驅動力。
在此描述了一種用於本發明方法的固體多組分膜。該固體多組分膜通常包括一個傳導電子的相和一個傳導氧離子的相的緊密不可透過氣體的多相混合物，和/或不透過氣體的「單相」混合金屬氧化物，該氧化物具有鈣鈦礦結構並具有傳導電子和氧離子的特性。在此還描述了用於電化學反應器的固體多組分膜，所述反應器包括上述的多相混合物和/或上述的混合金屬氧化物，所提供的混合金屬氧化物由下式表示AsAt′ BuBv′ Bw″Ox其中A代表一種鑭系元素或釔，或其混合物；A′代表一種鹼土金屬，或其混合物；B代表Fe；B′代表Cr或Ti，或其混合物；並且B″代表Mn、Co、V、Ni或Cu，或其混合物，並且s、t、u、v、w和x均代表其數量，使得s/t約等於0.01～100；u約等於0.01～1；
v約等於0.01～1；w約等於0～1；x等於能滿足式中A、A′、B、B′和B″的化合價所需要的量，並且0.9＜(s+t)/(u+v+w)＜1.1在此描述用於本發明方法的一個元件，該元件具有一能將氧還原為氧離子的第一表面，一個能使氧離子與耗氧氣體反應的第二表面，一個在第一和第二表面之間的傳導電子的通道，和一個在第一和第二表面之間的傳導氧離子的通道。該元件也包括(1)一種多孔基層，(2)一種傳導電子的金屬、金屬氧化物或其混合物和/或(3)一種催化劑。多孔基層(1)、導電覆蓋層(2)和/或催化劑(3)可作為分開使用的材料或起到多孔基層(1)的作用；導電覆蓋層(2)和/或催化劑(3)可結合在一種或兩種材料中。在此描述用於電化學反應器的作了上述限定的元件，該元件包括(1)一種催化劑，例如在其一個表面的硫還原催化劑，或(2)(A)一種固體多組分膜，該膜的特點在於，(1)一種傳導電子的相和一個傳導氧離子的相的緊密的不透過氣體的多相混合物或(2)一種具有鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物材料，和(B)一個導電覆蓋層、一種催化劑、或一種包括一種催化劑的導電覆蓋層。
也描述了一種用於從任何含氧氣體向任何耗氧氣體轉移氧的電化學反應器電池，它通常包括上述元件，該元件具有一個進口端，一個出口端和一個位於兩者之間用於將一種或多種氣體從進口端向出口端移動的通道。在一實施方案中，在進口端和出口端之間的通道可以任意具有一種催化劑，例如裝填在反應器電池進口端和出口端之間的通路中的不連續的顆粒或纖維催化劑。這種電化學反應器電池被裝在下述的環境中該環境在一側含有含氧氣體而在另一側含有耗氧氣體，並且其溫度和濃度是處於適合於相應氣體反應的條件下。
也描述了一種用於使一種耗氧氣體與一種含氧氣體反應的電化學反應器，它包括一個殼體，該殼體具有一個進口端、一個出口端和一個在兩者之間用於使一種或多種氣體從進口端向出口端移動的通道，和至少一個位於所述殼體內的所述的反應器電池，使得該殼體和反應器電池共同形成一個用於引入、反應、排出一種第一種氣體或氣體混合物的第一區域和一個第二區域(即上述的反應器電池通道)，所述第二區域位於反應器電池中，並通過反應器電池與第一區域相分開，第二區域用於引入、反應、排出一種第二種氣體或氣體混合物。在一實施方案中，第一區域和/或第二區域可以任意包括一種催化劑，例如裝填在殼體和反應器電池外表面之間或在反應器電池內的通道中的不連續的顆粒或纖維狀催化劑。
在本發明範圍內進一步包括一種氧化反應氣體的電化學方法。術語「反應氣體」在此被定義為能與氧或氧離子反應的氣體。
本發明的一個方面是一種將甲烷、天然氣或輕質烴氧化為不飽和烴或合成氣的電化學方法。該電化學方法通常包括(A)提供一個電化學電池，它包括一個第一區域和一個第二區域，該第二區域由作了上述限定的元件將其與第一區域分開，(B)將電化學電池約加熱到300℃至1400℃，(C)使一種含氧氣體通過第一區域並與該元件接觸，並且(D)使甲烷、天燃氣或其它輕質烴通過第二區域並與該元件接觸。
上述方法可以進一步包括(E)從第二區域回收產品。
當本發明是一種用於將甲烷、天然氣、或其他輕質烴氧化為合成氣的電化學方法時，該電化學方法包括(A.)提供一種電化學電池，它包括一個第一區域和一個第二區域，該第二區域由作了上述限定的元件使其與第一區域分開，(B)將電化學電池約加熱到1000℃至1400℃，(C)使一種含氧氣體通過第一區域並與該元件接觸，(D)使甲烷、天然氣、或其他輕質烴通過第二區域並與該元件接觸。
上述方法可以進一步包括(E)從第二區域回收合成氣，當電催化方法是用於使用飽和烴化合物生產不飽和烴化合物時，該方法通常包括如下步驟(A)提供一種電化學電池，它包括一個作了以上限定的具有第一和第二表面的元件；(B)使一種含氧氣體通過，並與第一表面接觸，而同時(C)使一種含飽和烴的氣體通過，並與靠近第二表面的一種脫氫催化劑接觸；以及可選用的步驟(D)回收不飽和烴。
當本發明是一種用於使芳族化合物與第二含氫化合物反應生成取代的芳族化合物的電催化方法時，該方法包括(A)提供一種電化學電池，它包括(i)一個具有作了上述限定的第一和第二表面的元件，
(ii)一個靠近第一表面的第一通道，和，(iii)一個靠近第二表面的第二通道，和，(B)使一種含氧氣體通過第一通道，而同時(C)使一種耗氧氣體通過第二通道，其中，該耗氧氣體由含氫芳族化合物和第二含氫化合物的混合物構成，以便製備取代的芳族化合物。
在一個實施方案中，電化學電池的第二通道包括一種分布在該通道中或在第二表面上的催化劑。
如果希望回收取代的芳族化合物，則上述方法可進一步包括(D)從第二通道中回收取代的芳族化合物這一步驟。
本發明另一方面是一種用於從一種含氧氣體中萃取氧的電化學方法，該方法包括(A)提供一種電化學電池，它包括一個第一區域和一個第二區域，該第二區域由作了上述限定的元件使其與第一區域分開，(B)使一種含氧氣體通過第一區域並與該元件接觸，和(C)使一種反應氣體通過第二區域並與該元件接觸。
當本發明是一種從含有非游離氧的氣體例如SO2、SO3、N2O、NO或NO2中萃取氧的電化學方法時，該電化學方法包括(A)提供一種電化學電池，它包括一個第一區域和一個第二區域，該第二區域由作了上述限定的元件使其與第一區域分開，(B)使一種含有含氧氣體的氣體通過第一區域並與該元件接觸，其中，所述含氧氣體中的氧是以非游離氧的形式存在的，和(C)使一種反應氣通過第二區域並與該元件接觸。
該方法可作為淨化氣體的方法，含有非游離氧的氣體是煙道氣或廢氣。
如果通過以上氧萃取方法獲得了一種所要的產品，例如，合成氣，不飽和烴類，單質硫、或無氧的氣體，該方法則進一步包括一個從產生該產品的區域回收所要的產品的步驟，例如從第一區域回收無氧氣體。
當本發明是一種用於將甲烷和氨氧化為氰化氫的電化學方法時，該電化學方法包括(A)提供一種電化學電池，它包括一個第一區域和一個第二區域，該第二區域由作了上述限定的元件使其與第一區域分開，(B)將電化學電池約加熱到1000℃至1400℃。
(C)使一種含氧氣體通過第一區域並與該元件接觸，和(D)使甲烷和氨通過第二區域並與該元件接觸。
以上方法可以進一步包括(E)從第二區域回收氰化氫的步驟。
在所附的附圖中

圖1是本發明電化學反應器第一實施方案的側視剖面圖；圖2是本發明電化學反應器第二實施方案的頂視剖面圖；圖3是圖2所示反應器的側視剖面圖；圖4是本發明固體多組分膜的一個實施方案的表面的電子顯微照相背散射圖象，放大倍數為500，並且圖5是與圖4所示的相同的固體多組分膜的橫斷面的電子顯微照片，放大倍數為5000。
圖6是用於實現本發明方法的電化學反應器第三實施方案的頂視剖面圖。
圖7是圖6所示反應器的側視剖面圖。
圖8是適於實現本發明方法的元件的側視剖面圖。
圖9是用於實現本發明方法的另一電化學反應器的頂視剖面圖。
圖10是圖9所示反應器的側視剖面圖。
圖11仍是適於實現本發明方法的另一實施方案的側視剖面圖。
圖12是適於實現本發明方法的另一電化學反應器的頂視剖面圖。
圖13是圖12所示反應器的側視剖面圖。
優選實施方案的描述本發明提供一種電化學反應器，它通過連續的過程將氧從任何含氧氣體向任何耗氧的反應氣轉移。可以用本發明實現的方法例如是氫氣燃燒以形成水，甲烷或天然氣的部分氧化以生產合成氣，甲烷和含飽和烴的氣體的部分氧化以生產不飽和烴，乙烷的部分氧化，芳族化合物的取代，從含氧氣體中萃取氧(例如，從NOx′、SOy，水蒸汽、CO2等中萃取氧，其中X′的值為0.5至2，y的值為2至3)，甲烷的氨解氧化以生產氰化氫，以及其他等等。
本發明電化學反應器的一個實施方案如圖1所示。反應器1的側視剖面圖表示用元件4將一個第一區域2與第二區域3分開。第一區域的外周邊由反應器管5確定，而第二區域的外周邊由反應器管6確定。反應器管5和6分別藉助於玻璃密封7和8形成與元件4的氣密密封。進料管9和10分別將含氧氣體11和耗氧氣體12導入區域2和3。出口13和14分別使反應後的氣體15和16逸出區域2和3。
實際上，含氧氣體或氣體混合物例如空氣通過第一區域並與元件接觸，而耗氧氣體或氣體混合物例如含反應氣的原料氣通過第二區域並與元件接觸。隨著含氧氣體或氣體混合物與元件接觸，氧被還原為氧離子，氧離子通過元件4被轉移至朝向第二區域的表面上。在第二區域氧離子與耗氧氣體或氣體混合物反應，氧化耗氧氣體並放出電子。電子經元件4返回朝向第一區域的表面。
在一實施方案中，耗氧氣體是甲烷或天然氣，而含氧氣體或氣體混合物是空氣。隨著空氣與元件接觸，空氣中的氧組分被還原為氧離子，氧離子通過元件轉移至第二區域，在那裡根據反應條件的不同氧離子與甲烷反應生成合成氣或烯烴。
在另一實施方案中，耗氧氣體是甲烷，天然氣或氫氣，而含氧氣體是一種煙道氣或廢氣它含有NOx，和/或SOy′，其中，X′和y在上述限定的範圍內。隨著煙道氣接觸該元件，NOx′和/或SOy中的氧被還原為氧離子，氧離子通過該元件轉移至第二區域，在那裡根據反應條件的不同，氧離子與耗氧氣體反應生成二氧化碳和水、合成氣或烯烴。在一個實施方案中，分別用NOx′和SOy在第一區域由電化學法生成氮氣和單質硫。
在本發明的另一實施例中，含氧氣體是一種含水蒸汽(即H2O氣)的氣體。隨著水接觸該元件，水中的氧被還原為氧離子，氧離子通過該元件轉移至第二區域，在那裡氧離子例如與甲烷或天然氣反應。在第一區域H2O被還原為氫氣(H2)。可以回收和利用這些氫氣，例如不飽和烴類的加氫，作為產生電流的燃料電池燃料，作為加熱本發明電化學電池的燃料，或作為本發明用於從含氧氣體中萃取氧的電化學方法的反應氣。
共同存在的材料可以參與在本發明元件上發生的電化學還原或氧化。例如當甲烷和氨並存於第二區域中，而在第一區域有含氧氣體存在，則在第二區域由於電化學作用產生氰化氫和水。
為產生寬範圍的產品，其他可相互反應的材料的結合也是可能的並且這完全也在本發明範圍內。
術語「耗氧氣體」、「反應氣體」和「含氧氣體」在此包括當其處於低於本發明相應方法的溫度範圍的溫度時不是氣體的材料，並且可以包括在室溫時是液體或固體的材料。在室溫時是液體的含氧氣體的一個實例是水蒸汽。多組分模如上所述，用於本發明電化學反應器的固體多組分膜可以是傳導電子的材料與傳導氧離子的材料的緊密的不透過氣體的多相混合物和/或不透過氣體的「單相」混合金屬氧化物，所述不透過氣體的「單相」混合金屬氧化物具有鈣鈦礦結構並具有傳導電子和氧離子的特性。此處所定義的短語「不透過氣體的」意指「基本上不透過氣體的」或「氣密的」，即這種混合物不允許大量的上述耗氧或含氧氣體作為一種氣體通過該混合物(即該混合物對於相應氣體來說是無孔隙的而不是多孔的)。在一些情況下，對氣體具有輕度的透過性也是可接受的或者講是不可避免的，例如當氫氣存在時。
關於固體多組分膜的術語「混合物」包括由兩種或多種固相、和單相材料組成的材料，該單相材料的各元素的原子被混合在同一固相中，例如混合在下面將說明的三氧化二釔穩定的氧化鋯中。優選的金屬摻雜金屬氧化物的實例是單相材料，而短語「多相混合物」涉及一種含有兩個或多個分散固相而不形成一種單相溶液的組合物。
換句話說，由於在不透過氣體的固體膜中，傳導電子的材料和傳導氧離子的材料至少以兩種固相形式存在，使得多組分膜的各組分的原子通常不會被混合在同一固相中，因此，多相混合物是「多相」。
(1)多相本發明多相固體膜顯著不同於本領域已知的「摻雜」材料。一種典型的「摻雜」工藝包括將少量的元素或其氧化物(即摻雜劑)加至大量的組合物(即主體材料)中，在摻雜工藝過程中使得摻雜劑的原子永久地與主體材料的原子相混合，從而使材料形成一種單相。另一方面本發明多相固體膜包括一種傳導氧離子的材料和一種傳導電子的材料，這兩種材料並非是以上述的摻雜劑/主體材料的關係存在的。而是基本以分散相的形式存在的。因此，本發明固體膜不是一種摻雜材料，而可稱為一種兩相、雙嚮導體、多相，或多相分膜。
能夠通過慣用方法區分摻雜材料和本發明多相膜，例如通過電子顯微技術、X-射線衍射分析、X-射線吸收圖、電子衍射分析、紅外線分析等等，它們可以檢測出遍布於膜的多相區域的組合物差異。多相組合物這種物理實驗的一個實例是圖4和圖5所示的電子顯微照片。圖4和5將在以下的實施例1-5中詳細描述。
典型地傳導氧離子的材料或相是固體溶液(即固體「電解質」)它由含有二價和三價陽離子的氧化物例如氧化鈣、氧化鈧、三氧化二釔、氧化鑭等等與含有四價陽離子的氧化物例如氧化鋯、氧化釷和二氧化鈰形成的，或者傳導氧離子的材料由一種傳導氧離子的鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物構成。可以確信它們之所以具有較高的離子傳導能力，是由於氧離子位置空穴的存在。每一個二價的或每兩個三價的取代了晶格中的一個四價離子的陽離子將具有一個氧離子空穴。有大量的氧化物可供使用，例如，二氧化二釔穩定的氧化鋯，摻雜二氧化鈰、氧化釷為基的材料、或摻雜的鉍的氧化物。某些已知的固體氧化物轉移材料包括Y2O3穩定的ZrO2、CaO穩定的ZrO2、Sc2O3穩定的ZrO2、Y2O3穩定的Bi2O3、Y2O3穩定的CeO2、CaO穩定的CeO2、ThO2、Y2O3穩定的ThO2、或由添加任何一種鑭系元素氧化物或CaO進行穩定的ThO2、ZrO2、Bi2O3、CeO2、或HfO2。能夠用於多相混合物中並已被證明具有傳導氧離子能力的許多其他氧化物是已知的，並且它們被包括在本原理中。
在這些固體電解質中優選的Y2O3(三氧化二釔)和CaO(氧化鈣)穩定的ZrO2(氧化鋯)材料。這兩種固體電解質的特點是具有較高的離子傳導能力，在寬範圍的溫度和氧壓下均可傳導氧離子，同時其價格比較低。
此外，本發明人已經發現，具有鈣鈦礦結構(在操作溫度下)的混合金屬氧化物具有極好的氧離子傳導能力。術語「鈣鈦礦」涉及到一類材料，即具有以鈣鈦礦石CaTiO3的結構為基礎結構的材料。在其理想的形式中，鈣鈦礦結構具有立方晶格，其中在晶胞拐角處具有金屬離子，在晶胞中心具有一個金屬離子，而在晶胞立方形的邊的中點處具有氧離子。這種結構被稱作ABO3型結構，其中，A和B代表金屬離子。
通常，鈣鈦礦結構需要使A和B離子化合價的和等於6，並且含有兩種金屬離子的ABO3結構的離子的半徑之間的關係可用下式表示rA+rO=t2(rB+rO)---(I)]]>式中rA、rB和rO分別是A離子、B離子和氧離子的半徑，而t是「容許係數」，它的取值範圍約為0.7-1.0。通常，具有鈣鈦礦結構的化合物的A離子和B離子的半徑在下述範圍內A離子的半徑在約1.0至約1.4埃之間，而B離子的半徑在約0.45至約0.75埃之間。本發明人發現因為有上式的限定，對於一個給定的B離子當鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物含有的A離子的半徑接近於A離子半徑的下限時，通常將增加氧離子傳導能力。但是，由於對於具有給定的B離子的鈣鈦礦，隨著A離子半徑接近於所希望半徑的下限時，在操作溫度下鈣鈦礦結構將具有較大的不穩定性，這將限制趨向子增加的氧離子傳導能力。
可將多種金屬和金屬氧化物用於形成可用於本發明的鈣鈦礦。通常，可以使用能滿足鈣鈦礦要求的金屬的任何組合形式。這樣的金屬的典型實例是鑭系元素，Ia和IIa族的金屬、過渡金屬Al、Ga、Ge、等等。優選金屬的實例包括La、Co、Sr、Ca、Fe、Cu、Ni、Mn、Cr、Y、Ba、Ti、Ce、Al、Sm、Pr、Nd、V、Gd、Ru、Pb、Na、W、Sc、Hf、Zr其氧化物和其混合物。Bi和/或Ce在優選實施方案中一般是不需要的，但如果想要的話，它們也可以存在。在一實施方案中，有少於13(摩爾)％的Bi和/或Ce存在。
優選的用於本發明ABO3型材料的A金屬的實例包括鑭系元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、和Lu)、釔和鹼土金屬，特別是Mg、Ca、Sr、和Ba。
優選的用於本發明ABO3型材料的B金屬的包括過渡金屬的第一行，即Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn。在這些金屬中，特別優選的是Co、Mn、Fe和Cr。
鈣鈦礦結構容許在其A和B位置的各種多陽離子的取代，使得各種更加複雜的含有A金屬和B金屬混合物的鈣鈦礦化合物能用於本發明。含有除氧之外的多於兩種金屬的鈣鈦礦材料是優選的材料。
可以通過使用金屬混合物作為A離子來提高氧離子的傳導能力，所述A離子在使用膜的工藝中的操作溫度下具有這樣一種不相同的穩定的氧化態，即當一些A離子在+3氧化態是穩定時，另一些在+2氧化態是穩定的。儘管本發明人並不希望受到任何特定的理論的約束但可確信在較高穩定氧化態金屬離子中的較低穩定氧化態的金屬離子的存在將在離子晶格中產生氧離子空穴，這將便於氧離子通過鈣鈦礦材料轉移。
本發明人也發現，存在在鈣鈦礦離子晶格B位置的鉻和/或鈦可增加鈣鈦礦結構在電催化過程條件下的穩定性，並且如以下將進一步描述的那樣，藉助於鉻它們保持增加電子傳導能力。
優選的具有鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物可以通過下式表示AsAt′BuBv′Bw″Ox (II)式中，A代表第一種A離子、A′代表第二種A離子、B代表第一種B離子，B′代表第二種B離子，B″代表第三種B離子，而s、t、u、v、w、和x均代表其數量，使得s/t約等於0.01-100，最好約等於0.1～20；u約等於0.01～1最好約等於0.5～1；v約等於0.01～1最好約等於0.05～0.5；w約等於0～1最好約等於0.01～0.5；
x是能滿足式(II)中其他元素化合價所需的數量；並且0.9＜(s+t)/(u+v+w)＜1.1最好是0.99＜(s+t)/(u+v+w)＜1.01。
在一個實施方案中，A代表一種鑭元素或釔或其混合物，A′代表一種鹼土金屬，或其混合物；B代表Fe；B′代表Cr或Ti，或其混合物；和/或B″代表Mn、Co、V、Ni、或Cu，或其混合物，其中，u和可選擇的w要大於零。在一優選實施方案中，A代表La或Y，或其混合物；A′代表Ca或Sr，或其混合物；B代表Fe；B′代表Cr；和/或B″代表Mn或Co，或其混合物。也可以存在其他微量元素，例如作為雜質而存在的其他元素。
具有鈣鈦礦結構的、可作為本發明的固態的傳導氧離子的電解質的混合的金屬氧化物的實例包括鑭-鍶輝鈷礦、鑭-鍶鐵氧體、鑭-鍶-鐵鉻鐵礦、鑭-鍶-鐵-鉻輝鈷礦、鑭-鍶-鐵-鉻水錳礦、鑭-鍶水錳礦、鑭-鈣輝鈷礦，鑭-鈣-鐵鉻鐵礦、鑭-鈣-鐵-鉻輝鈷礦、鑭-鈣-鐵-鉻水錳礦、鑭-鈣水錳礦，釔-鍶鐵氧體、釔-鍶輝鈷礦、釔-鍶-鐵鉻鐵礦、釔-鍶-鐵-鉻輝鈷礦、釔-鍶-鐵-鉻水錳礦、釔-鍶水錳礦、鍶-鈷鐵氧體、鍶-鐵輝鈷礦、釓-鍶輝鈷礦等等，及其混合物。具體的實例是LaaSrbCoOx、LaaSrbFeOx、LaaCabCoOx、SrCoaFebOx、GdaSrbCoOx、等等，其中a、b和x是數量，a和b之和等於1，而x則由與上式(II)同樣的方法確定。由a∶b表示的相應金屬之間的摩爾比取值範圍較大。典型的摻雜比a∶b是4∶1、3∶1、1∶4、1∶3、等等。
膜的傳導電子的材料或相可以是任何在反應條件下顯示出足夠的電子傳導能力的材料。典型的傳導電子的相由在反應溫度下顯示出適度的電子傳導能力的一種或多種金屬或金屬氧化物構成。合適的金屬包括銀、金、鉑、銠、釕、鈀、鎳、鈷、銅、等等，其中優選的是鈀和鉑。合適的金屬氧化物的實例包括鉍的氧化物、錫-銦的氧化物的混合物、鐠-銦的氧化物的混合物、鈰-鑭的氧化物的混合物，鈮-鈦的氧化物的混合物，鈣鈦礦結構的傳導電子的混合金屬氧化物、等等。其中，優先選用金屬摻雜的金屬氧化物，例如，鐠摻雜的銦的氧化物、錫摻雜的銦的氧化物、鈰摻雜的鑭的氧化物，鈮摻雜的鈦的氧化物的混合物。優先選用的傳導電子的鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物包括與上述適於作為傳導氧離子組分的鈣鈦礦有關的傳導電子的鈣鈦礦。在金屬摻雜的金屬氧化物中，最優先選用鐠摻雜的銦的氧化物和混合金屬氧化物。
在許多ABO3型混合金屬氧化物化合物中其真實結構是一種假對稱變體的連續體，所述假對稱變體是由少量離子取代完整的對稱簡單立方結構衍生而成的。在某些情況下，這種取代導致晶胞的輕度變形，因此對稱被轉換為正方的或正交的、並且另一方面這種變形將不再使相鄰晶胞完全相同，這將使得真實的晶胞包括不只一種較小的晶胞。許多這些氧化物的鐵電特性是由於上述的偏離於理想結構而產生的。
具有鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物當其A離子用一種二價金屬陽離子例如Ba、Ca、或Sr部分取代或「摻雜」時，通常將增加其電子傳導能力。趨於增大的電子傳導能力通常伴隨著在操作溫度下增大的不穩定性。部分分解為不同結構的鈣鈦礦所具有的電子傳導能力實際上與初始的鈣鈦礦結構所具有的電子傳導能力是不同的。
如上所述，本發明人已經發現，在鈣鈦礦離子晶格B位置存在有鉻和/或鈦可以增加鈣鈦礦結構的穩定性，同時鉻存在的另一好處是甚至鉻是以+4氧化態存在時也可增加電子傳導能力。
儘管發明人並不願受某些金屬離子存在為什麼能增加電子傳導能力這個特定的理論的約束，但本發明人已經發現，不需要高的氧化還原電位即能從一個氧化態變為另一個氧化態的金屬離子的存在通常能增加電子傳導能力。除鉻以外的實例包括鐵、鈷、和錳。
混合金屬氧化物材料的具體實例包括鑭-鍶水錳礦、鑭-鍶輝鈷礦、鑭-鍶-鐵鉻鐵礦、鑭-鍶-鐵-鉻輝鈷礦、鑭-鍶-鐵-鉻水錳礦、鑭-鈣-鐵鉻鐵礦、鑭-鈣-鐵-鉻輝鈷礦、鑭-鈣-鐵-鉻水錳礦、鑭-鎂-鉻鐵礦、鑭-鉻鐵氧體、鑭輝鈷礦、釔-鍶-鐵鉻鐵礦、釔-鍶-鐵-鉻輝鈷礦、釔-鍶-鐵-鉻水錳礦、釔-鋇赤銅礦(例如YBa2Cu3Ox，其中X由上述式(II)中相同的方法確定)、等等，和其混合物。
下述出版物中描述了有用的ABO3型化合物和其製備方法，道氏化學公司(Dow Chemical Company)的下述PCT申請，即其申請號為89085506，
公開日為1989年3月9日，公開號為WO89/01922的申請；米勒和羅伊著的「主要三元結構系列」1974年版第175-201頁(Muller and Roy＂The MajorTernary Structural Families＂，PP.175-201(1974))；M.E.林思和A.M格拉思著的「鐵電體的原理和使用及其所涉及的材料」牛津大學1977年版第280-92頁，以及附錄F的第620-32頁(筆劃較粗而字體略長的印刷品)(Lines，M.E.and Glass，A.M，＂Principles and Applications of Ferroelectrics and RelatedMaterials＂，pp280-92 and Appendix F.pp620-32(Clarendon Press)，Oxford(1977))；劍橋大學出版社出版的劍橋大學(1964)第二期第167-71頁R.D埃文斯的「結晶化學入門」(Evans R.D.＂An Introdution to Crystal Chemistry＂，Cambridge Univ，Press，Cambridge，2nd ed.(1964)，pp 167-71。)這些參考資料的每一種涉及到鈣鈦礦的公開部分均被引用在本發明中，以作為本發明公開的一部分。
這些多相多組分膜以體積計可以含有從約1至約75份的傳導電子的材料和以體積計從約25至約99份的傳導氧離子的材料。在優選的實施方案中，元素Bi、Ce和Ti可能個別地和共同地被排斥在外。
可以通過使至少一種傳導電子的材料與至少一種傳導氧離子的材料的結合，並使所結合的材料成形以形成一種密實的、氣密的、多相的固體膜的方法來製備該多相多組分膜。具體地說，可通過包括下述步驟的方法製備固體膜(A)製備一種含有至少一種傳導電子的材料和至少一種傳導氧離子的材料的緊密混合物。
(B)使該混合物成形至所須要的形狀，和(C)將成形後的混合物加熱至少約500℃，以形成一種密實的固體膜。
也可以通過包括下述步驟的方法使用至少一種金屬氧化物，傳導電子的金屬和至少一種傳導氧離子的材料來製備固體膜。
(A)製備一種含有至少一種金屬氧化物，傳導電子的金屬和至少一種傳導氧離子的材料的緊密混合物，(B)在還原氣氛中在升溫條件下加熱該混合物，將金屬氧化物還原為金屬，(C)將還原後的混合物加工成須要的形狀，和(D)將成形後的混合物加熱至至少約500℃，以形成一種密實的固體膜。
(2)單相混合金屬氧化物作為對如上所述的多相多組分膜或多相材料的一種替代、用於本發明電化學反應器的固體多組分膜可以由一種不透氣的「單相」混合金屬氧化物構成，該混合金屬氧化物具有鈣鈦礦結構並且具有傳導電子和傳導氧離子的特性。許多上述的鈣鈦礦型材料適用於本發明這一方面。有效的鈣鈦礦材料的具體實例是下述材料，但本發明並不限於這些材料LaCoOx；La6Sr4CoOx；La2Sr8CoOx；YCoOx；YBa2Cu3Ox；其中X用與上式(II)同樣的方法確定，以及等等其他材料。
由式AsAt′BuBv′Bw″Ox(式II)代表的上述混合金屬氧化物，由於它們具有在電催化條件下的穩定性和傳導電子和氧離子的優點，因此它們適於作為本發明單相混合金屬氧化物膜。
上述式(I)中的優選實施方案也能用於本發明這一方面。
鈣鈦礦與外加的導電金屬或金屬氧化物的混合物也適用於製備可用於本發明的多組分膜。外加的導電金屬或金屬氧化物可以是與鈣鈦礦中的元素相同或不同的元素。已經發現外加的導電金屬或金屬氧化物，通過給鈣鈦礦加熱和提供外加的導電金屬將形成一個與鈣鈦礦材料分離的單獨的相，因此將形成電子通過該膜的傳導通道。在一優選的實施例中，多組分膜由鈣鈦礦和過量的導電金屬或金屬氧化物的混合物組成，其中所述鈣鈦礦例如是鑭輝鈷礦，鑭-鍶輝鈷礦，而過量的導電金屬或金屬氧化物例如是在含鈷鈣鈦礦中過量的鈷金屬。
在另一實施方案中，多組分膜由兩種或多種鈣鈦礦的混合物構成，每一鈣鈦礦均具有傳導電子的能力和傳導氧離子的能力這一優點，並且它也可包括上述外加的導電金屬或金屬氧化物。
各種粉末製備方法可用來製備具有傳導電子和傳導氧離子特性(例如以上所討論的鈣鈦礦)的固體膜。合適的方法包括(a)由氧化物製備，(b)硝酸鹽和/或乙酸鹽的熱分解，和(c)檸檬酸製備方法。
(a)由氧化物的方法製備作為一個實例，該固體膜可通過包括下述步驟的方法由氧化物製備而成(A)製備含有上述A和B金屬的鈣鈦礦粉末，(B)將該混合物加工成所須要的形狀，和(C)將所成形的混合物加熱足以形成一種具有傳導電子和傳導氧離子特性的密實的固體膜的溫度。該步驟典型的溫度至少約500℃，通常至少約1000℃。
(b)用硝酸鹽和/或乙酸鹽的熱分解法製備通過硝酸鹽和/或乙酸鹽的熱分解法製備混合金屬氧化物的方法包括如下步驟；(A)將具有所須要元素的硝酸和/或乙酸鹽溶解在如水那樣的極性溶劑中，(B)加熱在步驟(A)中得到的溶液，以除去極性溶劑，直到得到一種固體粉末，(C)將幹固體粉末加熱至足以使硝酸鹽和/或乙酸鹽分解的溫度，(D)將該混合物加工成須要的形狀，和(E)將所成形的混合物加熱至足以形成一種具有傳導電子和傳導氧離子特性的密實的固體膜的溫度。通常，步驟(C)和(E)的溫度至少約為500℃，步驟(C)典型地在至少約900℃溫度下完成，而步驟(E)典型地在至少約1000℃溫度下完成。
(C)採用檸檬酸製備方法的製備按以檸檬酸製備方法的製備包括如下步驟(A)將具有須要元素的硝酸鹽和/或乙酸鹽混合在如水那樣的極性溶劑中，此時，溶液中便具有檸檬酸，(B)升溫加熱該混合物，形成一種固體粉末，(C)將該混合物加工成須要的形狀，(D)將所成形的混合物加熱至足以形成一種具有傳導電子和傳導氧離子特性的密實的固體膜的溫度。該步驟典型的溫度仍然是至少約500℃，通常是至少約1000℃。
在以上製備多組分膜的方法中，通常在最後的加熱步驟之前向混合物中加入一種粘合劑，以幫助金屬和/或金屬氧化物顆粒的粘合，從而形成所須要的形狀。優選具有如下特性的材料作為粘合劑，即、該材料在將成形後的混合物加熱至至少500℃溫度的最後步驟中不會影響密實的固體膜的結構並且能夠易於分散在所述混合物中。這樣的粘合劑例如可以是分散或溶解在一種適宜的溶劑中的石蠟或鏈烷烴。粘合劑的一種具體實例是聚乙二醇20MTM(Supelco)，將它溶解在足夠量的氯仿中，以便將一定量的粘合劑石臘分散在傳導電子和傳導氧離子的顆粒上。
在反應條件下，在包括鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物的反應器電池中，鈣鈦礦結構可以出現變形和/或另一結構。元件以上涉及的元件最好包括(A-1)一種固體電解質，它具有一第一表面和一第二表面，第一表面覆蓋有能將氧還原為氧離子的金屬、金屬氧化物或其混合物，第二表面覆蓋有能使氧離子與耗氧離子氣體反應的金屬、金屬氧化物或其混合物，所具有的兩覆蓋層在工作溫度下是穩定和傳導電子的，並且被聯於一個傳導電子的外部迴路。
(A-2)一種固體多組分模，它具有一第一表面和一第二表面，並且由傳導電子的相和一傳導氧離子的相緊密的不透氣的多相混合物構成。
下面將進一步詳細敘述元件(A-1)固體電解質A-1能夠是任何在工作條件特別是在高於300℃溫度下是穩定的和能夠轉移氧離子的材料。固體電解質最好從那些上述的與本發明多組分膜有關的傳導氧離子的材料中選擇。固態電解質是一種基本無孔和不透氣的固體。
優選的固體電解質是Y2O3(三氧化二釔)和CaO(氧化鈣)穩定的ZrO2(氧化鋯)材料，並且電解質具有鈣鈦礦結構。這些固體電解質的特點是它們具有高的離子傳導能力、在溫度和氧壓變化較大時，它們具有氧離子傳導能力，而且它們的價格比較低。
在陰極側的導電覆蓋層可以是任何具有下述特性的材料，即通過在陰極表面供給電子能夠將氧還原為氧離子並且在工作條件下是穩定的材料。用於製備陰極的金屬和金屬氧化物的實例包括銀、鉑、鎳、金、鉍、鈀、銅、鈷、鉻、鐵、鈮-鈦、鑭-錳的混合物，銦-錫的氧化物的混合物，鐠-銦的氧化物的混合物，用於製備上述鈣鈦礦、傳導電子的鈣鈦礦的任何兩種金屬或金屬氧化物的組合物、和所說金屬、金屬氧化物以及用於製備鈣鈦礦的組合物的混合物。
在陽極側的導電覆蓋層可以是任何一種具有下述特性的導電材料，即能夠使氧離子與耗氧氣體反應並且在工作條件下也是穩定的材料。用於形成陽極覆蓋層的金屬和金屬氧化物的實例包括上述的用於製備陰極的材料，而且尤其包括銀、金、鎳、鉍、錳、釩、鉑、銠、釕、鈀、銅、鋅、鈷、鉻、和鐵金屬和金屬氧化物，所說金屬和金屬氧化物的任何混合物、和其他混合物，例如，銀-鉍的氧化物的混合物、錫-銦的氧化物的混合物，鐠-銦的氧化物的混合物，鈰-鑭的氧化物的混合物，等等，和其混合物。其中，優先選用銀、金及銀和金的混合物。
每一導電覆蓋層可以以極薄的薄膜和/或以多孔的導電覆蓋層的形式存在。優先選用多孔的導電覆蓋層。多孔導電覆蓋層具有增加膜或覆蓋的電解質與要處理的氣體之間的接觸面積的優點，從而增加電催化速率。通過在外部迴路上施加一個電壓，來增加電子在與含氧氣體接觸的導電錶面方向上的流速，能加速電化學反應速率。當導電覆蓋層包括一種催化劑時，電化學過程的速率甚至能增加的更快。
該元件可以進一步包括一種多孔基層(1)。多孔基層(1)對於反應氣體或產物氣體來說是多孔的，並且可以起到具有導電覆蓋層的固態電解質(A-1)和/或固體多組分膜(A-2)的載體的作用。它可以是任何能夠完成要達到的目的並且在反應條件下不影響反應過程的材料。下列大量氧化物中的任何一種都可作為這種材料來使用，這些氧化物包括以上提及的作為氧離子傳導材料的三氧化二釔穩定的氧化鋯，摻雜二氧化鈰、氧化釷為基的材料，或摻雜的鉍的氧化物、以及各種其他的金屬氧化物。實例包括CaO-穩定的ZrO2；Y2O3-穩定的ZrO2；Sc2O3-穩定的ZrO2；Y2O3-穩定的Bi2O3；Y2O3-穩定的CeO2；CaO-穩定的CeO2；ThO2；Y2O3-穩定的ThO2；通過添加任何一種鑭系元素氧化物或CaO進行穩定的ThO2、ZrO2、Bi2O3、CeO2、或HfO2；Al2O3等等。
具有導電覆蓋層的固體電解質(A-1)和多組分膜(A-2)能通過任何技術使其覆蓋於一載體基層上，例如汽相沉積在多孔基層上，浸漬多孔基層，共浸漬多孔載體層，或通常用於製備陶瓷製品的任何其他技術。另外，也可以使用膠帶式澆鑄、滑泥式澆鑄淤漿混合物、或其他技術製備上述元件。另一種技術是熱處理成型有覆蓋層的固體電解質或膜的初級產品，形成一種穩定結構，或直至它是氣密時為止，並且將所形成有覆蓋層的固體電解質或膜加在一個載體結構上，並進一步使其熱處理，以便得到最終的有載體的、有覆蓋層的固體電解質或膜。也可以使用其它技術，只要載體基層使得含氧氣體和耗氧氣體接觸本發明的有覆蓋層的電解質或膜就可以。
下面將參照圖2和3進一步說明本發明，圖2和3說明了本發明電化學反應器的一個實施方案。圖2是本發明電化學反應器的頂視圖，它不同於圖1所示的電化學反應器，而圖3是圖2所示反應器側視剖面圖。在圖2和3中電化學反應器包括一個殼體20，在殼體中裝有一個圓環形的固體圓筒狀反應器電池或芯體21，它由一種固體多組分膜構成。如可看到的圖2和3所示結構，反應器含有一個內通道22和一外通道23，內通道22在芯體21的內部並與芯體21等長度，外通道23位於芯體21的外表面的殼體20內表面之間。
實際上，使用如圖2和3那樣的設備，例如通過使一種耗氧氣體通過內通道22並使一種含氧氣體通過外通道23即可實現本發明方法。與雙嚮導體芯體21外表面接觸的含氧氣體被轉化為氧離子，氧離子通過固體芯體21移至芯體21的內表面。在芯體21內表面上，氧離子和與內表面接觸的耗氧氣體反應。在反應過程中，每一氧離子失去兩個電子，它們從芯體21的內表面移至芯體21的外表面。
當然可以以相反的形式實現該方法，即，使一種含氧氣體通過內通道22，而使一種耗氧氣體通過外通道23。從而氧離子穿過固體芯體21移至芯體21的外表面，而電子移至內表面。
在典型地用於製備合成氣的方法中，一種或多種輕質烴是在內通道22中，並且如果元件包括用於固體芯體21的多孔載體，該多孔載體通常是位於膜的外表面上。然而要根據本發明的具體應用來確定耗氧氣體和含氧氣體的使用的區域和多孔載體(如果有的話)的位置，確定最佳安排是本領域普通技術人員應具備的能力，不經試驗就可作出決定。
元件的鈣鈦礦和多相膜相對於還原氣體和其他反應氣體具有不同的穩定性。因為本發明方法將使膜表面暴露在上述反應組分中，因此須要把在使用時對要接觸的氣體有穩定性的金屬、金屬氧化物、或鈣鈦礦配入多組分膜的表面或覆蓋多組分膜，以保護多組分膜的表面。本發明人已經發現，使鈣鈦礦或多相多組分膜的最後的層中含有如鑭系元素和鉻那樣的元素，是一種有助於保持暴露於反應氣體例如一種還原氣或一種含有硫或氮的氧化物的腐蝕性氣體中的表面的穩定性的方法。
在一實施方案中，該元件由一種在其一例或兩側覆蓋有導電金屬、金屬氧化物、或其混合物(2)的多組分膜構成。每一導電覆蓋層都以薄的薄膜的形成存在，和/或以上述的與包括(A-1)的元件有關的多孔覆蓋層的形式存在。
當上述元件包括一個覆蓋有能夠將氧還原為氧離子的導電金屬、金屬氧化物或其混合物層的第一表面，和一個也覆蓋有導電金屬、金屬氧化物或其混合物層的第二表面時，所述第一和第二表面的覆蓋層可以通過如(A-1)的外部迴路相聯，以便於從第二導電錶面向第一表面轉移電子。導電覆蓋層可以包括一種催化劑，同時外部迴路上可施加一電壓，用於如(A-1)那樣更快地增加電化學反應速率。
圖8示意性地表示了一個本發明的元件，其中，由多組分膜或固體電解質構成的芯體41在一表面42上覆蓋有益於將氧還原為氧離子的材料層43。該層形成了電池的陰極測。在芯體41的第二表面44是另一層覆蓋材料45。這一層是陽極。這兩層可以通過金屬導線46和47由外部迴路使其任意相互聯接。當芯體不是包括導電材料時，必須有外部迴路。在迴路中可包括一電流表48。在迴路中也可以包括一蓄電池，用於在兩導電復蓋層電極之間提供電壓。
參照圖9和10進一步說明本發明。圖9是本發明電化學反應器的頂視圖，而圖10是該反應器的側視圖。在圖9和10中，電化學反應器包括一個殼體50，在殼體50中裝有一個圓環形固體圓筒形電化學電池，該電池包括一個芯體51，而芯體51則包括一個多組分膜或固態電解質。芯體51的內表面覆蓋一層導電金屬或金屬氧化物52作為陽極。芯體外表面則覆蓋一層導電金屬材料53作為陰極。可選擇性地將導線56聯到內復蓋層52上，將另一導線57聯到外復蓋層53上，並且兩導線通過電流計58相互聯接起來，形成一外部迴路。可以與電流計串聯一個蓄電池。從圖9和10所示的結構可以看到，反應器含有通過反應器電池中心的內部空間54和在外層53或反應器電池的陽極與殼體50之間的外部空間55。
元件也可不依賴於以上所述而包括一種催化劑(3)。催化劑可以以下形式存在作為一種遍布於元件表面的薄膜、分散或混合在固體多組分膜的表面(例如，通過使固體膜表面摻雜)中，或分散或混合在導電覆蓋層中。這種催化劑例如可以是一種在元件陰極側上的硫還原催化劑，或是以下將進一步描述的在陽極側上的脫氫或氧化偶合催化劑。
多孔基層(1)、導電覆蓋層(2)和/或催化劑(3)可作為分開的材料使用或起到多孔基層(1)作用；導電覆蓋層(2)和/或催化劑(3)可以結合在一種或兩種材料中。
用於本發明方法的電化學電池可以有選擇地含有一種在該元件附近的催化劑。例如當電化學電池用於淨化氣體時，本發明人發現，催化劑的存在易於硫和氮的氧化物在電化學電池的第一導電錶面(即陰極)上的還原和/或易於硫化羰在該表面上的分解。當電化學電池是用於將飽和烴轉變為不飽和烴時，在元件第二表面附近的催化劑將增加其轉化速率和選擇性，這是相對於沒有脫氫催化劑存在而言的。當該方法用於由一種芳族化合物和一種第二含氫化合物製備取代的芳族化合物時，本發明人發現，脫氫催化劑或氧化偶合催化劑那樣的催化劑的存在可增加對於所須要的芳族化合物取代的選擇性。
催化劑可以以不連續的顆粒或纖維的形式填充在電池膜的表面附近。
在圖6和7所示實施方案中，電化學電池包括一個固體芯體33，該芯體包括具有第一表面32的固體多組分膜、該第一表面能將氧還原為氧離子。芯體33具有第二表面34，它能使氧離子與第二通道36中的耗氧氣體反應。靠近第二表面34的是第二通道36，通道36中含有催化劑35。
實際上，採用類似於圖2和3所示設備的使用方法，利用如圖6和7所示設備即可實現本發明方法，例如生產不飽和烴或生產取代的芳族化合物。通過以下方式可使催化劑35能夠靠近第一表面32而不是第二表面34將催化劑35裝在靠近第一表面32的第一通道中；或以相反方式設置第一表面32和第二表面34，使得32是第二表面，而34則是第一表面。這後兩種布置如可用於從含氧氣體中萃取氧的方法中。
在圖11所示電化學反應器的實施方案中，電化學電池包括一個固體的芯體61，而芯體61則包括覆蓋有材料62的固體多組分膜或固體電解質，材料62用於形成一個能將氧還原為氧離子的第一導電錶面63。通道71靠近第一表面63。第一導電錶面63構成了電池的陰極。固體芯體61用材料64覆蓋形成第二導電錶面65，表面65能使氧離子與耗氧氣體反應。催化劑69填充在靠近第二表面65的第二通道70中。第二導電錶面65構成陽極。反應器可具有用於形成外部迴路的任選的金屬導線66和67。外部迴路中可包括電流計68。
將參照圖12和13進一步說明本發明。在圖12和13中，反應器包括殼體80，在殼體內裝有一個圓環狀固體電化學電池，該電池包括芯體81，而芯體81包括多組分膜或固體電解質。固體芯體81一個表面覆蓋一層導電金屬，金屬氧化物，或其混合物，以形成第一導電錶面82。固體芯體81的另一表面用一種導電材料覆蓋，以形成第二導電錶面83。將任選的金屬導線87聯到第一表面82上，將任選的第一根金屬導線88聯到第二表面83上，同時兩導線可通過任選的電流計89互相聯在一起，以形成外部迴路。一個蓄電池可與電流計串聯聯接。從圖12和13所示結構可看出電池含有一個靠近第一表面82的第一通道86。一個第二通道84位於第二表面83和殼體80之間，通道84中有催化劑85。
能用於本發明方法的特定的催化劑將在對下述方法的描述中詳細描述。
以下將描述電化學方法的優選實施方案。
(1)生成合成氣使用本發明電化學反應器，氧化反應氣體以生成合成氣的電化學過程在從約1000℃至約1400℃溫度下完成。在一實施方案中，該過程在1000℃至1300℃溫度範圍內完成。電解質電池能被加熱至所須要的溫度，並且在反應期間可以通過外部加熱和/或反應放熱保持這個溫度。
含氧氣體通過第一區域並與朝向第一區域一側的固體膜接觸，含氧氣體可以是空氣、純氧氣、或其它的含有1％游離氧的氣體。在另一實施方案中，含氧氣體含有以其它形式存在的氧，例如N2O、NO、NO2、SO2、SO3、水蒸汽、CO2等等。含氧氣體最好含有至少1％的游離氧(即分子氧)，含氧氣體是空氣則更好。
按照本發明方法處理的用於製備合成氣的原料氣可以包括輕質烴，例如甲烷、天然氣、乙烷、或其它輕質烴的混合物。天然氣可以是井口天然氣或加工天然氣。加工天然氣的組成隨著最後的使用者的需要而變化。一種典型的加工天然氣組成含有以重量計約70％的甲烷、以重量計約10％的乙烷、10％至15％的CO2，其餘部分由少量的丙烷、丁烷和氮氣組成。
輕質烴原料氣能與任何惰性稀釋劑和包括水蒸汽的任何不影響所須要的反應的其它氣體相混合，惰性稀釋劑例如包括氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣，氮氣和水蒸汽是優選的稀釋劑。
採用本發明方法在朝向第二區的固體膜的表面處生產的合成氣，基本上是無氮的，但有氫氣和一氧化碳的混合物，並且可以含有一些乙炔或乙烯或兩者都有，合成氣可以僅含有少量的二氧化碳。可以使用費一託(Fischer-Tropsch)法將合成氣轉變為液體，也可以使用工業方法將其轉變為甲醇。
(2)生產不飽和烴可用本發明方法處理的含飽和烴氣體可以包括完全或部分飽和的烴，該烴是易於脫氫的，在以飽和或是以不飽和形式存在時，在操作溫度下它最好是穩定的。可以由本發明處理的飽和烴的實例包括含有1至約6個碳原子的脂族烴；含有5或6個碳原子的環脂族烴；具有2至約6個碳原子的脂族烴取代基的芳族化合物；具有2至約6個碳原子的脂族烴取代基的環脂族烴；一種飽和或部分飽和的雜環化合物，它含有5-或6-節的雜環，其中每種雜原子是氮、氧或硫；一種雜環化合物，它含有5-或6-節的不飽和雜環，其中每種雜原子是氮、氧或硫，它具有2至約6個碳原子的脂族烴取代基和其混合物。優選的飽和烴是含有2至約6個碳原子的脂族烴，和具有非稠合或稠合六節芳環和至少一個具有2至約6個碳原子的脂族烴取代基的芳族化合物。特別適於由本發明方法處理的飽和烴是乙烷、含乙烷的原料氣、丙烷、含丙烷的原料氣、苯乙烷或含苯乙烷的原料氣。
含乙烷的原料氣可以是天然氣，甲烷熱解出氣，氧化偶合出氣，或任何其他含有至少1％乙烷的氣體。天然氣可以是井口天然氣或加工天然氣。加工天然氣的組成隨最後使用者的需要而變化。典型的加工天然氣組成含有以重量計約70％的甲烷、以重量計約10％的乙烷、10％至15％的CO2，剩餘部分由少量的丙烷、丁烷和氮氣組成。
在本發明的另一實施方案中，乙烷與其它飽和脂族烴混合，例如丙烷、丁烷、異丁烷和/或戊烷。飽和烴原料氣能與任何惰性稀釋劑和包括水蒸汽在內的任何不同影響烴的氧化脫氫的其它氣體相混合，惰性稀釋劑例如包括氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣。水蒸汽、氮氣和甲烷是特別的稀釋劑，並且優先選用水蒸汽和甲烷。
通常本發明方法在升溫至少約300℃、最好升溫至少約500℃溫度下進行，然而，實施該方法所用的溫度通常不高於約1100℃。在一優選實施方案中，例如當飽和烴氣體是乙烷時，反應是在約600℃至約1000℃溫度下並且最好是在約700℃至約950℃溫度下進行的。
本發明的方法通常在約0.1至約100個大氣壓並且最好約0.5至約10個大氣壓的壓力下進行。特別優選的壓力是1個大氣壓。
本發明的一個方面是將甲烷，天然氣，或其它輕質烴氧化為不飽和烴的電化學方法，該方法使用本發明電化學反應器在從約300℃直至(但不包括)1000℃溫度下進行的。在一個實施方案中，該方法是在約550℃至約950℃、最好是在750℃至950℃溫度範圍內進行的。電解質電池可被加熱至所希望的溫度，並且在反應期間通過外部加熱和/或利用反應放熱保持該溫度。
按照本發明的方法所處理的原料氣可以包括輕質烴例如甲烷、天然氣、乙烷、或其他輕質烴混合物。一種含甲烷的原料氣例如可以是甲烷、天然氣或任何含至少50％甲烷的其它氣體。天然氣可以是井口天然氣或加工天然氣。加工天然氣的組成隨著最後使用者的需要而變化。一種典型的天然氣組成含有以重量計約70％的甲烷、以重量計約10％的乙烷、10％至15％的CO2，而剩餘部分由少量的丙烷、丁烷及氮氣組成。
輕質烴原料氣可與任何惰性稀釋劑相混合，例如氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣；或與並不影響所須要的反應的任何其它氣體相混合，其中包括水蒸汽。氮氣和水蒸汽是優選的稀釋劑。
用本發明的方法在朝向第二區域的固體膜表面處生產的不飽和烴，是例如乙烯、乙炔、丙烯、丁烯、異丁烯、和其混合物。
含氧氣體通過第一區域並與朝向第一區域一側的固體膜接觸，含氧氣體可以是空氣、純氧氣、或任何其它至少含有1％游離氧的氣體。在另一實施方案中，含氧氣體含有其它形式存在的氧，例如N2O、NO、NO2、SO2SO3、水蒸汽、CO2等等。該含氧氣體最好含有至少約1％的游離氧(即分子氧)，含氧氣體是空氣則更好。
在本發明方法的一個優選實施方案中，含飽和烴的氣體通過時與靠近元件第二表面(陽極)的脫氫催化劑接觸，以便增加不飽和烴的產量和改善選擇性。在一實施方案中，該方法以高轉化速率和選擇性以及低焦化速率將乙烷連續脫氫生成乙烯或乙炔。另一優選的方法以高的轉化速率和選擇性使苯乙烷轉化為苯乙烯。如果須要的話，該方法也被用於發電。
本發明的方法由一個電池來實施，該電池具有一個元件，該元件具有一第一表面、一第二表面、一個傳導電子的通路和一個傳導氧離子的通路，所述第一表面能夠將氧還原為氧離子，而第二表面則能使氧離子與一種耗氧氣體反應。在靠近第二表面的用於含不飽和烴氣體的通道中有一種脫氫催化劑。
再看圖11、一種含氧氣體或氣體混合物通過通道71並且與第一導電錶面63(陰極)接觸，同時一種含飽和烴化合物的氣體通過通道70並且與第二表面65(陽極)和脫氫催化劑69接觸。隨著含氧氣體接觸第一表面63，氧被還原為氧離子，氧離子穿過芯體61轉移至陽極側。在陽極(第二表面65)處，飽和烴接觸脫氫催化劑生成氫氣和不飽和烴，同時氧離子選擇性地與氫氣反應生成水，放出電子。這些電子可以藉助於外部迴路通過金屬導線66和67返回陰極側。以這種方式，該反應器除去將飽和烴轉化為不飽和烴外還能產生電流。
也可以以類似於使用圖11所示設備的方法利用如圖12和13所示那樣的電化學反應器電池實施本發明這一方法。
在另一實施方案中，圖12和13的第一導電錶面82和第二導電錶面83是相反的，使得脫氫催化劑85是在靠近第一導電錶面82的第一通道84中。實際上，含氧氣體通過第二通道86，而一種含飽和烴化合物的原料氣則通過第一通道84，在通道84中填充有脫氫催化劑85。一種或多種飽和烴的化合物以上述方法被轉化為一種或多種不飽和烴。
在電催化反應器電池元件的表面上的優選的導電覆蓋層可以是各種具有以下特徵的導電材料，即，該導電材料能夠催化飽合烴轉化、或催化飽和烴的脫氫成為不飽和烴，或能夠促進氫的選擇性氧化。適用於形成這些優選的陽極覆蓋層的金屬的實例包括銀、鎳、金、鉍錳、釩、鉑、鈀、釕、銅、鋅、鈷、鉻、鐵、銦-鐠的混合物，或銦-錫的混合物、其氧化物、和所說金屬和金屬氧化物的混合物。在本發明中銀和金是特別有用的。
優選的導電材料包括含銀和含金的金屬的組合物。在另一優選實施方案中，第二表面是一個由含鉑金屬組合物構成的導電覆蓋層。
該方法可以由圖6和7所示那樣的反應器完成，其中，傳導氧離子的通道和傳導電子的通道共存在於固體芯體33中。芯體33具有能使氧還原為氧離子的第一表面32。通道31是靠近第一表面32的。芯體33具有能易於使耗氧氣體轉化的第二表面34。靠近第二表面34是通道36，在通道36中含有脫氫催化劑35。
實際上，可以以類似於使用圖12和13所示設備的方法採用如圖6和7所示設備實施本發明方法。
脫氫催化劑包括那些適用於促進氧化脫氫和熱力脫氫(即非氧化性的)的催化劑。氧化脫氫催化劑易於使氫原子與如氧那樣的氧化劑結合，而熱力脫氫催化劑不需要氧化劑的存在就能實現脫氫。優選的氧化脫氫催化劑是那些促進單烯烴脫氫的催化劑，例如，鉍、鈷、錫、鈦和碲的鉬酸鹽或鎢酸鹽；沉積在氧化鋁上的磷酸；鉍、鐵、鍶、鎳、鉻、和鈣的磷酸鹽；鎢；釩；銦；鉍的磷鉬酸鹽和磷鎢酸鹽；鉬和釩的混合氧化物；鉬、釩和鈮的混合氧化物；銻和錫的混合物氧化物，鈦；錫和砷與硒和碲的混合氧化物；鐵與鋁和鉻的混合氧化物；鐵和鉻在有碳酸鉀情況下的混合氧化物；鐵、鈷、鎂、錳、金、和鉑的鹼式滷化物；等等其他。有用的脫氫催化劑的具體實例是殼牌(shell)105催化劑，它包括約90％的氧化鐵、4％的三氧化二鉻和6％的碳酸鉀；鈣鎳磷酸鹽催化劑，其組成為Ca8Ni(PO4)6，並與約2％的三氧化二鉻相混合；和聯合碳化物公司的埃思諾工藝催化劑(Union Carbide′s Ethoxene process catalyst)，它是以鉬、釩、和鈮為基的氧化物。
用於製備和使用這些催化劑的方法在本領域內是公知的。描述這些催化劑參考資料的實例包括「國際化學工程第9卷第1號第1-23頁(1969年)由V.K斯基徹克發表的「烴類的氧化脫氫」(V.K Skarchenko，」Oxidative Dehydrogenation of Hydro-carbons，」INTERNATIONAL CHEMICAL ENGINEERING，VOI，9，NO，1，pp1-23(1969))；C.N.薩特菲爾德的「多相催化的實際應用」第199-279頁(麥格勞-希爾，1980)(C.N.Satterfield，Hetergenous Catalysis in Practice，pp199-279)(McGraw-HillInc，1980)；US 4,315,864、4,350,835、4,410,752，4,524,236和4,524,236；以及雜誌「催化」52期第116-132頁(1978)桑斯特斯等人著的「乙烷氧化脫氫時所用的含有鉬和釩的混合氧化物催化劑」(Thorsteinson et al，＂Oxidative Dehydrogenation ofEthane over Catalysts Containing Mixed Oxides of Molybdenum，and Vanadium，＂J，Cataly sis 52，pp116-132(1978))；上述資料全部被引用在本發明中。
氧化脫氫型催化劑最好是在直接用在電化學電池元件的陽極表面上，因為到達該表面上的氧可作為氧化劑以實現氧化脫氫。
在另一解決方案中，氧化脫氫型催化劑不是直接用於電化學電池元件的陽極表面，而是以載體催化劑或無載體催化劑形式分布在第二通道中，並且除氧之外的一種氧化劑例如碘隨反應物一起被引入第二通道，以提供氧化脫氫所需的條件。
脫氫催化劑最好是有益於促進熱力脫氫的載體或無載體催化劑。這些催化劑包括銠、釕、鈀或鉑金屬、其金屬氧化物，和其混合物。在這些催化劑中間，最優選的是鉑，因為它除去起到脫氫催化劑的作用外，鉑也起到降低碳質沉積形成物的作用。碳質沉積形成物的降低被認為是由於氫被吸附於鉑上，並沿催化劑的表面擴散，在該表面上的氫化焦炭的產物母體易於從該表面解析。但是本發明人並不希望受到該理論的約束，因為適用於鉑的這一特定理論對於實現本發明來講是不嚴密的。
催化劑最好載在一種載體介質上。這種載體介質可以是任何不影響本發明方法的材料。載體介質的實例包括石英棉、二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈦，和氧化鋯，優先選用石英棉。石英棉容易填充，並可降低在電池通道中裝填石英棉時用的力對電池造成損害的可能性。
由於催化劑的存在脫氫反應的速度是比較快速的，約0.1至約100秒的接觸時間足以完成向不飽和烴所須要的轉化。通常約1至20秒的接觸時間是足夠的，並優先選用該接觸時間。
在本發明一實施方案中，通過在陽極和陰極間施加電壓來促進飽和烴向不飽和烴的轉化。在電極間通常施加直至約4伏的電壓，最好施加約0.1至約2伏的電壓。通過使用蓄電池施加須要的電壓，將蓄電池安裝在圖12和13中的由26、27和28形成的外部迴路中。
在另一優選的實施方案中，在陽極進行的反應速率能通過以下方法使其增加，即降低在第一表面和第二表面之間的氧離子所必須移動的距離。換句話說，通過使用相對於元件的表面積具有較薄橫截面的元件可以改進電池的性能。
(3)生產取代的芳族化合物本發明方法能由任一按照上述(A)的包括該元件和第一及第二通道的電化學電池實施。這些類型的電化學電池也被稱為電解質電池，發電電池、或燃料電池。電化學電池的一個重要特性是它能夠從與一種含氧氣體接觸下的元件的第一表面向與一種耗氧氣體按接觸的元件的第二表面轉移氧離子，而轉移的電子從第二表面返回至第一表面。這些功能通過不只一種類型的電化學電池完成。優選的實施方案包括那些具有如下構成的電化學電池一種傳導氧離子的固態電解質，在其兩側覆蓋有金屬、金屬氧化物或其混合物層(「外部迴路電池」)；和那些具有如下構成的電化學電池一種固體的多組分膜，在膜中具有傳導電子通道(內短路電池」)。以上詳細描述了本發明的這兩種類型的電化學電池。
當元件的固體電解質上有一導電覆蓋層作為陰極時，優先選用銀、鉑、以及銀和鉑的混合物作為導電覆蓋層金屬和金屬氧化物。
在一實施方案中，陽極除去含有上述已確定的導電金屬外，也含有鹼和/或鹼土金屬，或金屬氧化物，例如鋰、鈉、鉀、銣、鈰、鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、和相應的氧化物。將鋰和鎂一起使用是特別有益的。覆蓋層中的鹼和/或鹼土金屬的量的取值範圍較大，例如以重量計從約1％至約50％，並且以重量計最好是在從約5％至約20％之間。上述混合物的陽極的實例包括Cu/Li/Mg、Ag/Li/Mg、Ag/Sm/Li/Mg、和Ag/Bi/Li/Mg。
導電材料中的鹼和/或鹼土金屬或金屬氧化物可以在導電材料覆蓋在固態電解質的表面上之前或之後使其分布在該材料中。也可以用其它材料摻雜、塗覆、或其它方式處理陽極，以影響其穩定性，結構、和/或表面與飽和烴相互作用的反應性。
有益於本發明的導電覆蓋層的特定實例，以及製備上述覆蓋層的方法如下所述Ag用銀墨(Engelhard A3148)塗覆一個管。
Ag/Li/Mg用銀墨(A3148)、氧化鎂(MgO)和碳酸鋰(Li2CO3)在水中的懸浮液(14.6％重量的鋰)順序地塗覆一個管。
Pt用鉑墨Engelhard(#6926)塗覆一個管。
Pt/Bi用氧化鉍(Bi2O3)在水中的懸浮液塗覆以上製備的鉑陽極。
在一實施方案中，導電材料具有含銀金屬組合物。在一優選的實施方案中，該材料具有含銀金屬組合物，該組合物也含有鉍和任選的鹼和/或鹼土金屬或金屬氧化物。在另一優選實施方案中，第二表面是一種由含鉑金屬組合物構成的導電覆蓋層。
在本發明一實施方案中，通過在陽極和陰極之間施加一個電壓，能夠促進一種芳族化合物向被取代的芳族化合物的轉化，所說的取代是指用混合物中的第二化合物所進行的取代。在電極間通常能施加直至約4伏的電壓。通過使用蓄電池可以施加須要的電壓，該蓄電池在圖11中安裝於由66、67和68形成的外部迴路中。
但是，本發明人也已經發現，選擇相對於電解質暴露的表面積而在第一和第二表面之間具有較薄厚度(即單位面積具有小的體積)的固態電解質，來降低通過單位面積電解質的平均的氧離子必須移動的距離，也能夠實現高的轉化速率。這種轉化速率增長效果不需要附加一個外部直流電源，這使得它成為經濟地提高轉化速率的一個優選的解決方案。
使用於本發明方法的電化學電池可以任選地在第二通道中含有一種催化劑。本發明人已經發現，使用本發明方法在第二通道中存在的催化劑有易於獲得須要的產品的選擇性和轉化速率。這種催化劑能夠以遍布電化學電池的元件的第二表面的薄的薄膜形式存在，或以裝填在所述第二通道中的不連續顆粒或纖維的形式存在。該催化劑即可用於外部迴路電池、也可用於內短路電池。
可以使用類似於上述的生產不飽和烴的方法實施此連續方法，只是使用一種含氫化合物和第二含氫化合物的混合物代替該工藝的飽和烴化合物，並且催化劑不但可以是一種氧化偶合催化劑，而且可以是下面將進一步說明的脫氫催化劑。
在本發明一優選實施方案中，在第二通道中的催化劑是一種脫氫催化劑或一種氧化偶合催化劑，並且耗氧氣體混合物最好包括一種飽和烴。本發明人已經發現，在這樣的催化劑存在時，通常可以增加用飽和烴取代芳族化合物的選擇性。
在第二通道中的脫氫或氧化偶合催化劑也能增加用不飽和烴取代芳族化合物的選擇性，甚至當反應混合物僅含有飽和烴作為第二種含烴化合物時也是如此。使苯和乙烷的混合物轉化的方法在有脫氫或氧化偶合催化劑存在時例如能夠提高生成苯乙烯，而不是生成苯乙烷或聯二苯的選擇性。
脫氫催化劑包括那些能用於上述的生產不飽和烴化合物的方法中的催化劑材料。
當在反應區域有在反應條件下分解並形成滷或硫的二氧化物的含滷或硫的添加劑時，將優先選用某些脫氫催化劑。這樣的催化劑的實例包括鐵、鈷、鎳、錳、釩、鉬、鉍、錫、鎘、和銅的氧化物；磷酸鎂，等等；及其混合物，例如在美國專利US3207807，3207808，3207809，3207810，3207811，3210436和3211800號；英國專利第988619號；法國專利第1397,284號；荷蘭第65,00024號專利申請；和比利時專利第658,368號中描述了含滷添加劑物系；並且在比利時專利第617,892號；英國專利號第998,784號和984,901號；和法國專利第1407830號中描述了含硫添加劑物系；上述每一文獻均完全被引用在本發明中。
可以用於本發明的氧化偶合催化劑包括那些用於使反應混合物中的烴之間進行氧化偶合的材料。用於甲烷的偶合以形成乙烷和乙烯的氧化偶合催化劑可被使用，以便使用甲烷作為耗氧合體的第二含氫化合物，並且也用氧化偶合催化劑使含氫芳族化合物和第二含氫化合物進行反應。氧化偶合催化劑的實例包括下列金屬的氧化物鉛、鉍、錫、銻、碲、鎘、鎵、鍺、銦、鋅、鈣、和稀土金屬，例如釤、鈥、釓、鉺、銩、鐿、釔、鑭、釹、銪、鏑、鑥、鐠、和鋱。各種摻雜的鎂的氧化物也是有用的氧化偶合催化劑。鹼金屬摻雜的鎂的氧化物例如鈉-、鉀-或銫-摻雜的鎂的氧化物是有效的氧化偶合催化劑。
這些催化劑最好是載體催化劑。載體材料是任何不影響本發明方法的材料。載體材料的實例包括石英棉、二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈦和氧化鋯，優先選用石英棉。石英棉容易裝填，並可降低在電池通道中裝填石英棉時所用的力對電池造成損害的可能性。
本發明的方法通常是在至少約300℃溫度下進行，並且最好是在至少約500℃溫度下進行。溫度最好不高於約1100℃，不高於約950℃更好。任何一個本領域普通技術人員，通過檢測不同溫度下的轉化速率，以便得到最佳轉化速率溫度，可以容易地確定一個特定電化學電池/原料氣組合物系統的最佳溫度。操作溫度的上限通常恰好低於相當數量的所須要的產物或反應物分解成不須要的生成物或副產品的溫度。
通過第一表面並與第一表面或陰極接觸的含氧氣體可以是空氣、純氧或至少含有1％氧的任何其它氣體。在另一個實施方案中，含氧的氣體不含分子氧，而是含有其它形式的氧，例如，N2O，CO2，SO2，NO2，NO等。氧化氣體最好是一種含氧分子的氣體，例如空氣。
含氫的芳族化合物可以是任何含芳環的化合物，它具有氫作為取代基，包括取代的或未取代的單環或多環芳族化合物。芳族單環或多環可以含一個或多個雜原子或是含雜原子團作為取代基或作為環節，只要芳族化合物具有明顯的芳烴特性就可以。典型的雜原子包括氮、氧和硫。
含氫的芳族化合物通常選自在電化學電池的操作溫度下有比較好的穩定性(即耐分解)的氣體芳族化合物。此種芳族化合物的實例包括噻吩，噻唑，吡唑，苯，甲苯，乙苯，二甲苯，酚，苯甲醇，苯甲醛，乙醯苯，吡啶，苯甲酸，聯苯，茚，吲哚，苯並噻吩，苯並噻唑，萘，喹啉，噌啉，蒽，蒽醌，菲，芘，咔唑等。其中，具有6節芳環的單環芳族化合物是優選的，而苯是最可取的，因為它在操作溫度下具有穩定性並且比較經濟。
第二含氫的化合物可以選自能與被引入電化學電池的第二通道的芳族化合物氧化耦合的大量的含氫化合物。這些化合物包括飽和的或不飽和的、取代的或未取代的烴的化合物，例如，取代的或未取代的，飽和的或未飽和的脂族烴和含氫的無機化合物，例如，甲烷，取代的甲烷、氰化氫，氨，滷化氫，如氯化氫和碘化氫等，以及它們的混合物。取代的甲烷包括用滷素取代的甲烷、甲醇、甲胺，氰酸甲酯，異氰酸甲酯等。根據本發明的精神的範圍，一個普通技術人員能容易地確定更多的適合取代芳族化合物的含氫化合物。
從第二含氫化合物轉變的取代基是少至少一個氫原子的第二化合物。上述實例中的烴基、氰基、氨基、滷基作為用本發明的方法生產的被取代的芳族化合物的取代基的實例。
如果從第二化合物與芳族化合物耦合處移走一個以上的氫原子，則進一步的可能性就存在，例如出現未飽和的第二化合物，以至於如果第二化合物是烴它可能在予先什麼也不存在的地方形成雙鏈。如果，例如進入電化學電池的第二通道的混合物是苯和乙烷，就發生這種情況。這時不僅生成乙苯而且生成苯乙烯(即乙烯基苯)。眾所周知，苯乙烯是聚苯乙烯和許多具有以苯乙烯作為它的一個鏈節的共聚物的工業化生產的原材料。
優選的第二含氫化合物是取代的或未取代的甲烷和取代的或未取代的、支鏈或直鏈、飽和或未飽和的脂族烴，特別是那些具有從2至大約5的碳原子脂族烴，例如，甲烷、異丁烯酸甲酯、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、戊烷、2-甲基丁烷等，其中，特別優選的脂族烴是具有從2至4個碳原子的脂族烴，例如，乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、異丁烷、1-丁烯，1，4-丁二烯等，因為它們具有比較穩定，和多少地比許多其它的烴容易脫氫。
實施本發明的方法，通常是在大約從0.1至大約100大氣壓的壓力下，更為可取是在大約0.5至10大氣壓之間，最可取的壓力為大約1.0大氣壓。
通過電池的反應混合物的流量可以按新要求的變化，只要是反應混合物能充分地與陽極接觸，生產出所須要的取代的芳族化合物就可以。所採用的接觸時間可以是從0.1至大約100秒，而接觸時間從1至20秒通常被認為是充分的。
(4)從含氧的氣體中萃取氧利用本發明的電化學電池，可以實施根據本發明的從含氧氣體中萃取氧的電化學方法。實施該方法，溫度一般是在大約300℃至大約1400℃的範圍內。在一個實施例中，實施該方法的溫度是在大約從500℃至大約1400℃的範圍內。在另一個實施例中，實施該方法的溫度是在大約700℃到大約1100℃的範圍內。優選的實施例中，實施該方法的溫度至少為大約400℃。並且較為可取的是不高於大約1000℃，而甚至更為可取的是不高於大約900℃。電化學電池可以加熱到所須要的溫度，並在反應過程中，可以利用熱煙道氣，外部加熱和/或利用反應放出的熱量來保持這個溫度。
按照本發明的方法處理的含氧氣體，可以是含有游離氧和/或含有其它型式的氧的任何氣體。例如N2O，NO，NO2，SO2，SO3，氣態H2O(即水蒸汽)，CO2，或含氧氣體的混合物，例如煙道氣等。
反應氣體是任何能與氧或氧離子起反應的氣體，該氣體包括氣相的、並且在反應條件下能與氧或氧離子起反應的一種或多種烴，例如，飽和和未飽和的低級脂族烴，如甲烷、天然氣、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔、丁烷、丁烯、丁炔、異丁烷、異丁烯等，飽和的和未飽和的低級環烴，例如，環丙烷、環丁烷、環丁烯等，芳族烴，例如，苯，萘等以及它們的混合物；天然氣；氫；一氧化碳；硫化氫；甲醇；氨等及它們的混合物。選擇在本發明的反應條件下能與氧或氧離子起反應的一種或多種氣體，屬於本技術領域的技術人員的工作範圍。
用於本方法的優選的反應氣體或氣體混合物是那些單位體積是價廉的、工業生產的副產品和/或是在與氧或氧離子反應時能生成有用的產品的氣體。一種特別優選的作為反應氣體的氣體是天然氣。
在本發明的方法的一個實施例中，至少將一電化學電池放入煙道氣或廢氣的通道中，以便淨化、提純或回收煙道氣或廢氣排出物，採用該方法電化學電池把燃料氣區與具有煙道氣或廢氣的區域隔開。
通過第一表面並與第一表面即陰極接觸的含氧化硫和/或氧化氮的氣體，可包括SO2，SO3，NO2，NO，N2O等，其量低到大約0.001摩爾％直至100摩爾％。較好是，在被處理的氣流中硫和/或氮的量在從大約0.005至大約5摩爾％的範圍內是優選的，而在從大約0.1至大約1摩爾％的範圍內是最好的，因為通常的煙道氣流和廢氣流所含的氧化硫和/或氮是在這個屬於最好控制範圍內。
在實踐中，含有一種或多種氧化硫和/或氮的氣體混合物，在與元件的第一表面(陰極)接觸的情況下通過，而還原氣是在與元件的第二表面(陽極)接觸的情況下通過。隨著含有汙染物的氣體與第一表面接觸，氧被還原為氧離子，它通過元件轉移到陽極側。在陽極側(第二表面)，氧離子與還原氣反應並釋放電子。電子返回到陰極側。
在一個實施例中，用一種設備實施本發明的方法，例如圖9和圖10所示的，還原氣通過內部空間54，而含有硫/或氮的氧化物氣流通過外部空間55。硫和氮的氧化物與外邊的傳導覆蓋層53接觸被還原，釋放出氧離子，它通過芯子51轉移到內傳導塗覆蓋層52。在內傳導覆蓋層52的表面，氧離子與同內傳導覆蓋層52相接觸的還原氣反應，反應中氧離子失去兩個電子，該電子從內傳導覆蓋層52通過芯子51轉移到外表面覆蓋層53面。並且可以選擇性地通過用導線56和57以及電錶/電池形成環路。
在另一個實施例中，陰極和陽極被顛倒過來。即內傳導覆蓋層52是陰極，而外傳導覆蓋層53是陽極。在該實施例中，燃料氣是通過外部空間55，而含有硫和/或氮的氧化物氣體通過內部即中央空間54。此外，該實施例的方法與上面所述的實施例一樣。
在本發明的最後兩個實施例中，通過在陽極和陰極之間施加電壓以提高氣體淨化的速度。通常，在電極間可施加直到大約4伏的電壓。通過使用安裝在圖10所示的由56、57和58形成的外部環路中的蓄電池，可以施加所須要的電壓值。
然而，本發明人也已發現，通過選擇在第一表面和第二表面之間的相對電解質暴露的表面積具有一小的厚度的固體膜或電解質，(即每單位面積的小的電解質容積)，來減少一般氧離子必須通過每單位面積的電解質的距離，也可提高氣體淨化的速度。薄層高密度的氧化釔穩定的氧化鋯管由於其壁厚為1毫米，具有此種提高了的效果，可以俄亥俄州Solon的鋯產品(Zircoa Products，Solon，Ohio)中獲得該管。這種效果的提高不需要外加直流電源，這使得它成為經濟地實施該方法的手段。
用於製備本發明的電催化電池的固體電解質所用的薄的氣密耐熔的氧化物層的一種方法是「氣相沉積」方法，例如，電化學氣相沉積方法，該方法已由Westinghouse電氣公司的A.O.Isenberg在電化學協會會刊第77卷第6號第572-583頁(1977年)Wes-tinghouse Electric Corporation in A.O.Isenberg，PROCEEDINGS OFTHE ELECTRO-CHEMICAL SOCIETY，Vol.77，No.6，pp.572-583(1977))上發表，該內容也包括在本發明之中。
可以作為導體的金屬，金屬氧化物或其混合物存在陰極上的金屬和金屬氧化物中通常優先選用銀、鉑和金。
除了含硫的氧化物和/或氮的氧化物外，待淨化的氣流還可能含有其它成分，例如，氮氣、氧氣、氬、氦、二氧化碳、水蒸汽、一氧化碳、未燃燒的燃料等。含氧氣體例如氧氣和二氧化碳，可能消耗一些被用於轉化硫的和/或氮的氧化物燃料氣。然而，本發明人已經發現，如果使用此種氣體，本發明是特別經濟的，因為所用的輔加的燃料氣比電解過程所用的電要便宜得多。例如，有關資料已公開在美國US.4659448中，名稱為「在大部分區域中燃料氣與電力的千瓦小時的主要消耗比較」用於本發明的方法的電化學電池，可選擇地含有催化劑，它鄰近或覆蓋在第一傳導表面上。本發明人已經發現，催化劑的存在有助助於在電化學電池的第一導電錶面(即陰極)上還原硫和氮的氧化物和/或分解硫化羰。催化劑可以作為薄膜覆蓋在電化學電池的固體電解質的第一傳導表面上，分散或混合在第一傳導層(也就是摻雜電子傳導層)中，或是以分散的粒子或纖維的形式充填在電池的第一傳導表面(陰極)附近。
實際上，類似於利用圖9和圖10的電化學電池的方法，採用圖12和13所示的電化學電池，可實施本發明的方法。
在第一通道中使用的優選的催化劑包括鑭的氧化物，銪(Eu)摻雜的鑭的氧化物，鑭、鍶和鈷混合物的氧化物，鋅和鐵混合物的氧化物，鉬的氧化物和鎢的氧化物。用於還原硫的氧化物的催化劑的具體實例包括La2O3，La0.6Sr0.4，CoO3(一種鈣鈦礦)，ZnFe2O4，ZnMoO4，FeWO4等。在實施本發明方法的過程中，這些催化劑可保持或不保持這裡所述的分子式和/或結構，因為硫原子具有高的朝向催化劑實例中的某些元素並與其化合的活性。例如，如果與氧化硫接觸，鑭的氧化物傾向於形成鑭的硫氧化物而鈣鈦礦，例如前面提到的鑭-鍶-鈷-鈣鈦礦，常常失去它們的鈣鈦礦結構。
製造和使用這些催化劑的方法是公知的技術。描述這些催化劑的文獻的實例包括Baglio的「鑭的硫氧化物」作為SO2氧化CO和COS的催化劑」《工業工程化學生產研究設計》(1982)第21卷第38-41頁和Hibbert等人的「燃料氣脫硫在硫化的La1-xSvx CoO3上用一氧化碳催化分解二氧化硫」《催化劑應用》(1988)第二部第41卷第289-299頁(Baglio，＂Lantha-num Oxysulfide as a Catalyst for the Oxidation of Co and COSand COS by SO2，＂Ind.Eng.Chem Prod.Res.Dez.(1982)Vol.21，pp38-41 and Hibbert et al＂Flue Gas DesulfurizationCatalytic Removal of Sulfur Dioxide by Carbon Monoxide on Sul-phided La1-xSrxCoO3Part II，Applied Cata lysis(1988)vol.41pp289-299)，上述所公開的有關內容完全包括在本發明中。
通常，實施本發明的方法溫度至少為大約300℃，而優選的溫度至少為大約400℃，實施本方法的溫度優選是不超過大約1000℃，最好是不超過大約900℃。對於一個具體的電化學電池原料氣體成分的系統的最佳溫度可以容易地獲得，即由本技術領域的普通技術人員通過測試在不同溫度下的轉化速率，以測得最佳轉化速率的溫度。操作溫度的上限通常恰好低於會使電化學電池的元件分解成為不須要的材料的溫度。
可將煙道氣或廢氣中通常具有的熱量例如氫氣燃燒所產生的熱部分地或全部地用於加熱電化學電池，或用外部電源加熱電化學電池。在電化學過程中，如果需要避免過熱，可以使用各種溫度控制方法，包括將較低溫度的氣體或氣體混合物噴入反應氣體區和/或含有煙道氣或廢氣區的冷卻方法，對流冷卻，液體冷卻等，並且可以用公知技術的各種設備來完成。此種設備可以視為在本發明的範圍之內。
通常，實施本發明的方法的壓力是在從大約0.1到大約100個大氣壓之間，優先選用的壓力是在大約0.5到大約10個大氣壓之間，最好是大約1.0個大氣壓。
通過電池的含有硫的和/或氮的氧化物氣體流量可以按需要變化，只要是氣體能與陰極充分接觸使硫和氮的氧化物獲得所須要的還原就可以。雖然接觸時間從1至20秒通常是充分的，但是可採用的接觸時間為從0.1至大約100秒。
還原氣體的流量也可以按照需要變化，只要是還原氣體能與陽極充分的接觸，使硫和氮的氧化物獲得所希望的還原就可以。
在以下實施例中是在實驗室反應器中處理耗氧氣體，該反應器與圖1所示的反應器相似。
製備多組分膜的實施例用於實施例A-1至A-14的多組分膜的製備如下實施例A通過製造一隔膜來製備用於下面的實施例A-1和A-2的雙向傳導膜。該隔膜含有金屬鈀作為電子傳導相，並用氧化釔穩定的氧化鋯(下示為「YSZ」)作為離子傳導相。首先配成各佔50％的氧化鈀和氧化釔[8摩爾％]穩定的氧化鋯的粉末混合物。然後在氫和氮混合氣中，在400℃下加熱粉末，時間為15分鐘，以使氧化鈀還原為金屬鈀。將溶解在氯仿中的0.4克聚乙二醇20MTM(從Supelco買到)加入到4克上述混合物中，接著在85℃下乾燥所生成的混合物。用60,000磅/吋2的壓力將生成的Pd/氧化釔穩定的氧化鋯/聚乙二醇20MTM粉末加壓成隔膜。然後將隔膜在空氣中，在1500℃下燒結30分鐘。其結果是獲得緻密和不透氣的隔膜。隔膜的直徑為1英寸，厚度為0.03英寸(0.76mm)。
實施例B通過製造一隔膜來製備用於下面的實施例A-3的雙向傳導膜，該隔膜含有金屬鉑作為電子傳導相，並含有YSZ作為離子傳導相。用3毫升的α-萜品烯稀釋9.52克的Engelhard鉑墨(Engelhard公司產品Cat.No 6926)，然後在稀釋的墨中混入2克氧化釔(8摩爾％)穩定的氧化鋯。在一爐子中在100℃下蒸發混合物使之乾燥並燒去萜品烯。然後粉碎乾燥的混合體，並將8.49克乾燥、粉碎的粉末加入到溶解於20毫升氯仿中的0.94克的聚乙二醇20MTM中，蒸發去掉氯仿，留下的粉末在一爐子中在85℃下乾燥大約30分鐘，接著將粉末進行輕微地研磨，並用120目篩過篩。然後用60,000磅/吋2壓力將5克過篩的Pt/氧化釔穩定的氧化鋯/聚乙二醇20MTM粉末加壓至成直徑為1-
英寸(3.5cm)的隔膜，然後以1-1/2℃/分速度將隔膜加熱到1650℃，在空氣中在1650℃下燒結2小時，並且以4℃/分的速度冷卻，所得到的是緻密的和不透氣的隔膜。
實施例C通過製造一隔膜來製備用於下面的實施例A-4的雙向傳導膜，該隔膜含有鑭、鉻和鎂的氧化物的混合物作為電子傳導相，含有YSZ作為離子傳導相，首先配成0.25克MgO，5.52克CrO3和10.00克La2O3的粉末混合物。然後，在100℃下乾燥該粉末，並重新磨碎。然後將5克所得到的La(Cr9Mg)粉末加入到含有0.5克B2O3的熱的含水溶液中，並將溶液烘乾，接著磨碎成非常細的粉末。然後使4.5毫升的B-MgLaCr粉末與4.5毫升氧化釔(8摩爾％)穩定的氧化鋯混合，接著與10(重量)％溶於氯仿的聚乙二醇20MTM混合。然後，乾燥所得到的混合物並重新磨碎成粉末狀混合物。用60,000磅/吋2壓力將4克粉末狀混合物加壓成隔膜。以1℃-2℃/分的速度將隔膜加熱至1400℃，在空氣中在1400℃下燒結45分鐘，然後以3.9℃/分的速率冷卻，所得到的是緻密和不透氣的隔膜。
實施例D通過製造一隔膜來製備用於下面的實施例A-5的雙向傳導膜，按照上述實施例C，該隔膜含有BMgLaCrOx作為電子傳導相，並含有YSZ作為離子傳導相，燒結後的隔膜，在其一側(陽極側)用鐠、釔和鋯浸漬。把每毫升水中含有0.218克Pr(NO3)35H2O、0.212克Zr(NO3)4·6H2O和0.0115克Y(NO3)36H2O的0.1CC含水溶液灌注到隔膜的一個表面來浸漬BMgLaCrOx/YSZ隔膜。然後在空氣中將該隔膜乾燥並加熱到1100℃。
實施例E通過製造一隔膜來製備用於下面的實施例A-6和B-3的雙向傳導膜，該隔膜含有塗布鐠摻雜的銦的氧化物作為電子傳導相，並含有YSZ作為離子傳導相。將31.22克In2O3粉末、4.26克Pr6O11粉末和29.70克氧化釔(8摩爾％)穩定的氧化鋯粉末的混合物，100毫升蒸餾水，4滴Darvan C(一種分散劑，可從美國康乃狄克州的Norwalk的R.T.Vanderbilt和其公司買到)(R.T.Vander-bilt and Company，Inc.，of Norwalk，Connecticut)和氧化鋯的研磨介質在球磨機內研磨17小時。然後將所得到的混合物在200℃下乾燥，並與10(重量)％溶於氯仿的聚乙二醇20M混合，將該混合物在100℃下再乾燥以除去氯仿。然後重新磨碎該混合物，並且用60,000磅/吋2壓力將4.0克的該混合物加壓成隔膜。接著以0.5℃-1.0℃/分的速度將隔膜加熱到1550℃，並在空氣中在1550℃下燒結3小時，並以1℃/分的速度冷卻。所得到的隔膜是緻密和不透氣的隔膜，其直徑為3.12cm。
按照上面實施例E製備的雙向傳導膜的表面的放大500倍的電子顯微照相背散射照片如圖4所示。與膜的兩相相應的兩個區在照片上清楚可見。較平坦、光滑的區域包括氧化物離子傳導相主要是氧化釔穩定的氧化鋯，正如用X-光吸附圖所證實的那樣。在顯微照片的中心的稀少、小顆粒帶，從靠近頂部延伸到底部是電子傳導相，主要包括氧化銦。
實施例E的相同膜的第二電子顯微照片在橫截面處放大5000倍的是如圖5所示。小的、白粒子是電子傳導的含銦相，而灰色區是離子傳導相；主要是氧化釔穩定的氧化鋯。極暗的區域是由於在製備試樣的過程中在橫截面的表面形成的小孔隙所造成的。
以下實施例說明如何製造包括鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物的膜，實施例F和G說明用氧化物製備上述膜的方法。
實施例F以分子式為La0.2Sr0.8CoOx的ABO3型材料為基礎製備一個固體膜。將7.5克La2O3、18.47克CO3O4和19.08克SrO的粉末將混合物在乙醇中用氧化鋯作為研磨介質、研磨大約24小時。所得到漿狀體在90℃下蒸發直到乾燥，然後搗碎成乾粉末。將該粉末與溶於氯仿的10重量％的聚乙二醇20MTM混合。所得到的混合物在室溫下乾燥，並重粉碎為粉末狀混合物，並用80目篩過篩。用60000磅/吋2壓力將4克粉末狀混合物壓成所須要的形狀。然後將成型的混合物慢慢地加熱到大約600℃以燒去聚乙二醇粘合劑，再以大約0.6℃/分的速度加熱到1200℃，並在1200℃下保溫大約5小時，然後以大約0.9℃/分的速度冷卻至大約105℃，得到緻密和不透氣的膜。
實施例G按照實施例F的方法製備膜，只是用相等的摩爾量總數的CaO代替SrO以形成具有分子式La0.2Ca0.8CoOx的組分。
下面的實施例H-L說明根據上述的硝酸鹽和/或乙酸鹽的熱分解方法製備固體膜。
實施例H將大約20.0克的乙酸鑭、大約49.35克的硝酸鍶和大約72.61克乙酸鈷溶解於水。將該溶液放在電熱板中，在攪拌下蒸發至接近乾燥。然後將濃縮的混合物在空氣中在450℃下加熱1小時，所得到的粉末在丙酮中研磨，然後在空氣中在1150℃下煅燒5小時。然後將粉末在含有3滴Darvan CTM分散劑的丙酮中用氧化鋯作研磨介質，研磨20小時。粉末懸浮體在200℃下乾燥，然後與10(重量)％溶於氯仿的聚乙二醇20MTM混合。然後將所有的混合物放在電熱板，邊攪拌邊慢慢地乾燥，接著在爐子中在90℃下進行下一步乾燥。用臼和研杆將所得到粉末體搗碎，並用80目篩過篩。用60,000磅/吋2壓力將4克粉末壓成所須要的形狀。然後，將成形的混合物慢慢地加熱到600℃以燒去聚乙二醇粘合劑，然後以大約0.6℃/分的速度加熱至1200℃，並在1200℃下大約保溫5小時，然後進行冷卻，所獲得的分子式為La2Sr8CoOx的ABO3型多組分膜是緻密的和不透氣的。
實施例J根據實施例H的方法製備一固體膜，只是在相等的摩爾總數的金屬離子的條件下用乙酸鐵代替乙酸鈷。產品的分子式可以用La0.2Sr0.8FeOx表示。
實施例K根據實施例H的方法製備一個固體膜，只是用乙酸鐵和乙酸鉻代替乙酸鈷，而鐵和鉻的摩爾比應為4∶1，並且鐵和鉻的總摩爾等於鈷的摩爾數。所得到的產品可以用分子式La0.2Sr0.8Fe0.8Cr0.2Ox表示。
實施例L根據實施例H的方法製備一個固體膜，只是在相等摩爾總數的金屬離子的條件下用乙酸釓替乙酸鑭。製得的產品可以用分子式Gd0.2Sr0.8CoOx表示。
用上述的檸檬酸製備法製備固體膜的方法通過實施例M描述如下實施例M用硝酸鹽或乙酸鹽與檸檬酸溶液混合，可以製備分子式為La0.2Sr0.8Fe0.8Cr0.1Co0.1Ox的ABO3型多組分膜。將大約30.0克硝酸鑭、60.96克硝酸鍶，117.85克硝酸鐵，14.59克硝酸鉻，10.61克硝酸鈷和138.71克檸檬酸溶於水中。將所得到的溶液放入圓玻璃燒瓶中，在旋轉著的蒸發器中和在真空及80℃溫度的條件下混合直到混合液變稠。將液體注入蒸發皿中，並放入真空爐中，在110℃和部分真空下乾燥20小時。搗碎粉末體，然後在空氣中在200℃煅燒1小時，然後在900℃下煅燒24小時。將粉末放在塑料罐中，在含有3滴Darvan CTM分散劑的丙酮中用氧化鋯作研磨介質，研磨24小時。粉末狀懸浮體在90℃下乾燥，然後與5(重量)％溶於氯仿的聚乙二醇20MTM混合，然後將全部混合物放在電熱板中，邊攪拌邊慢慢乾燥，接著放入爐子中，在90℃下作進一步乾燥，用臼和研杵搗碎所得到的粉末體，並用60目篩過篩。用37.500磅/吋2壓力將4克粉末體壓成所須要的形狀。將成型的混合物慢慢地加熱到600℃，以便燒去聚乙二醇粘合劑，然後以大致0.6℃/分的速度加熱至1200℃，並在1200℃下保溫大約5小時，然後進行冷卻。最後得到緻密和不透氣的膜。
實施例N仿照實施例M的方法，可製備分子式為La0.2Sr0.8Fe0.8Mn0.2Ox的ABO3型多組份膜，這可通過取代該膜的金屬硝酸鹽(或相應的乙酸鹽)來實現，其取代的量要達到上述的ABO3型分子式中的相應的摩爾量總數。
氧通量的效果上述實施例A-N的各個雙向傳導隔膜被粘結在兩個一英寸直徑的YSZ或高鋁紅柱石管之間。上述組合件的一端裝有襯石英的不鏽鋼或高鋁紅柱石進料管，以便送入耗氧氣體，該組合件的另一端裝有不鏽鋼，高鋁紅柱石或碳化矽進料管，以便送入含氧氣體。在下述的每個實施例中，都將組合件放到能加熱到1100℃的裂解爐中。通過具有混合金屬氧化物在實施例A-7至A-14所測試的膈膜的氧流量的速率是這樣確定的將60毫升/分的標準燃料混合氣送入隔膜的燃料側，將200毫升/分的空氣送入隔膜的另一側，用氣體色譜儀分析隔膜的燃料側的氣體組分，即CO2、CO和N2的體積百分比，用乾冰/丙酮捕集器從隔膜的燃料側的氣體中捕集水，以便測量廢氣中水的體積百分比。下面公式概括了如何計算總氧流量和每單位表面積的氧流量；總氧通量＝(廢氣中的O2+在廢氣中以水的形存在的O2)-(進料中的O2)-(滲漏的O2)廢氣中的O2＝流出量×((％CO2)+0.5×(％CO))/100廢氣中的以水的形式存在的O2＝所收集的H2O克/小時×(1摩爾H2O/18克(g)H2O)×(1摩爾O2/2摩爾H2O)×(24 200毫升O2/摩爾O2)×(1小時/60分鐘)進料中的O2＝進料流量×(進料中的％CO2)/100廢氣中滲漏的O2＝排出的流量×(21％O2/79％N2)×(％N2)/100(基於％N2)O2通量/每單位表面積＝O2總通量/暴露於燃料混合物中膜的表面積除了另外特別指出，此處的各份百分比、比率的類似的表示都是標準溫度和壓力下的體積(標準溫度和壓力，25℃和1大氣壓)在此處如果溫度和壓力沒有特別指出，其溫度為室溫(大約25℃)且壓力大約1大氣壓。
實施例A-1把具有實施例A的Pd/YSZ雙向傳導膜的反應器組合件加熱到1100℃，以大約60毫升/分的流量將氮氣送入到耗氧氣體側，而以200cc/分的流量將空氣送入到雙向傳導膜的另一側作為含氧氣體。然後用含有90份氫和10份氬的氣體代替氮氣，在標準溫度、壓力下，以61.0毫升/分氫的流量送入。廢氣通過一個乾冰/丙酮的低溫捕集器(-78℃)搜集所生成的水，然後氣體通過一收集器，以便對氣體進行色譜分析。將氫-氬氣體混合氣送入反應器3小時，並且在反應期間收集在1.23克水。
氣體色譜分析表明，沒有氮，沒有空氣滲入反應器，並且所有氧都通過雙向傳導隔膜轉移了。
暴露於氫氣的隔膜的表面積是2.2cm2，並且通過隔膜轉移的氧的總量等於550MA/cm2的電流密度。
實施例A-2以與上述的實施例A-1的相同的方式實施本實施例中的反應過程，只是用含17份甲烷和83份氮的混合氣體來代替氫-氬混合氣體。
排出氣體的色譜分析表明，可獲得94％產量的一氧化碳，它與氫按1∶2摩爾比混合，通過隔膜的轉移的氧的總量等於531mA/cm2的電流密度。
上述結果表明沒有用於電子流動的外部電路，可獲得接近定量的烴的混合物向合成氣的轉化。
實施例A-3以與上述實施例A-1相同的方式實施本實施例的反應過程，只是用按照實施例B製備的Pt/YSZ膜來代替雙向傳導膜，在標準溫度，壓力條件下以61.6毫升/分的氫的流量送入氫-氬混合氣，用2小時30分鐘的時間將氫-氬混合氣送入反應器。反應器產生0.38克的水。
暴露於氧的隔膜表面積為1.0cm2，通過隔膜的轉移氧的總量等於電流密度463mA/cm2。
實施例A-4以與上述的實施例A-1相同的方式實施本實施例的反應過程，只是用按照實施例C製備的BMgLaCrOx/YSZ膜代替雙向傳導膜，用1個多小時的時間將氫-氬混合氣體送入反應器。在反應期間收集水0.107克。
暴露於氫的隔膜表面積為2.8cm2，通過隔膜轉移的氧的總量等於電流密度114mA/cm2。
實施例A-5以與上述的實施例A-1相同的方式實施本實施例的反應過程，只是(a)用按照實施例D製備的PrYZr-BMgLaCrOx/YSZ膜代替雙向傳導膜，這樣可使用鐠、釔和鈷浸漬過的一側與氫氬混合氣接觸；(b)氫-氬混合氣送入反應器的時間為1小時30分(A型)和2小時(B型)；和(C)在A型和B型操作期間，收集的水分別為0.16克和0.22克。
暴露於氫的隔膜表面積為2.8cm2，通過隔膜轉移的氧的總量，對於A型來說等於114mA/cm2的電流密度，對於B型來說等於117mA/cm2的電流密度。
實施例A-6以上述的實施例A-1相同的方式實施本實施例的反應過程，只是按照實施例E製備的PrInOx/YSZ膜代替雙向傳導膜，用2小時將氫-氬混合氣送入反應器，並且在反應期間收集水0.90克。
氣體色譜法分析表明，沒氮氣、沒有空氣滲漏到反應器，並且所有氧都通過雙向傳導隔膜轉移了。
暴露於氫的隔膜表面積為2.2cm2，通過轉移的氧的總量等於電流密度601mA/cm2。
實施例A-7將實施例F的鈣鈦礦隔膜放到爐子中的330不鏽鋼支承的培養皿上。使玻璃粉(#1724)與水混合，製成糊膏。然後將薄層糊膏塗復到隔膜上，然後將氧化鋯或高鋁紅柱石管放到隔膜上使溼糊膏形成密封。然後在爐子中加熱管和隔膜。在925℃下玻璃粉熔化，在隔膜和管之間形成防滲漏的密封。然後將反應器加熱到所要求的溫度，將氮氣送到隔膜的密封側，(管側)而空氣送到另一側。一旦隔膜達到所要求的溫度，就用燃料氣代替氮氣以便測定氧的流量。測定的條件是在1100℃下，以60毫升/分的流量將燃料氣送到隔膜的密封側，而以200毫升/分的流量將空氣送到隔膜的另一側。試驗隔膜用的標準燃料「混合」氣的組成為57％H2，21.5％CO216.5％CH4，5.0％Ar。
實施例A-8至A-14以與上述的實施例A-7相同的方式實施本實施例A-8至A-14的反應過程，只是用實施例G-N的固體膜分別代替實施例A-7的固體膜。實施例A-8至A-14的反應條件與實施例A-7相同。
以下表I概括了實施例A-7至A-14的氧流量數據。
表I氧流量數據實施例No. 膜組份 表面積 製備方法 O2流量 電流密度(cm2) cc/minXCm2(mA/cm2)A-7La0.2Sr0.8CoOx 0.6 A19.5 5206A-8La0.2Ca0.8CoOx 0.6 A21.0 5607A-9La0.2Sr0.8CoOx 0.5 B30.7 8197A-10 La0.2Sr0.8FeOx 0.6 B19.8 5287A-11 La0.2Sr0.8Fe0.8Cr0.2Ox 1.4 B7.5 2002A-12 Gd0.2Sr0.8CoOx 0.6 B8.6 2296A-13 La0.2Sr0.8Fe0.8Cr0.1CO0.1Ox1.2 C15.3 4085A-14 La0.2Sr0.8Fe0.8Mn0.2Ox 1.2 C9.0 2403SA＝暴露於燃料的表面積粉末製備方法A＝用氧化物製備B＝熱分解硝酸鹽或乙酸鹽C＝用檸檬酸製備不飽和烴生產效果在以下幾個具體實施例中，按照本發明在實驗室反應器裡生產不飽和烴的方法處理飽和烴，所說的反應器由60cm長，(外徑為10mm，內徑為8mm)的8％氧化釔穩定的氧化鋯管制成，該材料由鋯石產品(Corning)獲得。管的內壁塗復有用α-萜品烯稀釋的銀墨(Engelhard A3148)薄層，以作為可透過的陰極。管的外面從管的一端到大約管的中部這段區域塗成銀墨條。管在空氣中在765℃下加熱大約15分鐘。
然後，用陽極材料塗復管的外表面，將銀條輕微地覆蓋著。
用被5％的PtCl2水溶液浸漬過的石英棉作脫氫催化劑。泌出多餘的溶液，將塗有PtCl2的石英棉放入爐中，在120℃下乾燥2小時，然後，在空氣中，在800℃下煅燒大約16小時。
用釺焊將銀絲固定於陰極端和陽極端，使用SWAGELOKTM管裝配件聚四氟乙烯套圈，將一其外徑為14mm內徑為12mm長度為40cm的石英管套裝在氧化鋯管的中央部分。石英管和氧化鋯管之間的空隙用脫氫催化劑，即用Pt塗復的石英棉填充。SWAGELOKTM管裝配件也連接到氧化鋯管的每一端，並從石英套管中伸出。將裝配組合件放到能加熱到1100℃的裂解爐中，而銀線通過電流表彼此相連。
電極規定如下使空氣以50毫升/分的流量通過氧化鋯管的內部，氮氣以20毫升/分的流量通過氧化鋯管和石英管之間的空間。將管子加熱到700℃，大約經歷1.5小時。達到大約700℃後，用飽和烴代替氮氣(20毫升/分)，並且開始實驗。
下面的實驗中，飽和烴是乙烷、反應器的溫度保持在700℃，壓力大約是1個大氣壓，並且在連續的運行中，在反應器中停留的時間保持恆定。大約間隙20分鐘可以獲得氣體產品試樣，並且用氣體色譜法分析氣體試樣，可採用於分析精煉廠氣體混合物的Carle系列S111H或Carle系列S400氣體色譜儀進行分析。在某些實驗中，可用與電錶串聯的Lambda電源530型施加外部電壓。
對比實施例1是一個沒有催化的熱乙烷脫氫反應的實施例。該反應在一個石英反應器內進行。反應器的空隙用低表面積矽(一種惰性材料)填充。對比實施例2是一個乙烷脫氫反應的實施例，該反應在電催化反應器內進行，不用脫氫催化劑。反應器的空隙是用相同的低表面積矽充填，所以在對比實施例1和2中氣體的接觸時間幾乎是相同的。在對比實施例2和實施例B-1和B-2中的電催化反應器是用帶有銀陰極的銀陽極的氧化釔穩定的氧化鋯固體電解質製造的。
實施例B-1和B-2是本發明方法的實例，它使用與對比實施例2相同的電催化反應器，並填充本發明的脫氫催化劑。在實施例B-1中，連接了外電路但不給 反應器電池施加電壓。在實施例B-2中，連接了外電路，並給反應器電池施加0.8伏的電壓。
表II實施例 外加電壓 轉化的 C2H4的 生成的廢氣的(伏) C2H6(％)*選擇性(％)**C2H4(％)***％H2對比實例1 N/A 16.7 91.815.4 13.3對比實例2 0.0 23.9 87.820.9 0.0B-1 0.0 31.1 91.428.4 4.2B-2 0.8 34.8 87.030.3 0.7
實施例B-1和B-2的結果表明，本發明的方法產生的乙烯的量大於不用電催化反應器的熱脫氫反應(對比實施例1)和不填充脫氫催化劑的電催化反應器的熱脫氫反應(對比實施例2)所產生的乙烯的量。施加電壓(實施例B-2)到產生的乙烯的量比不施加電壓的要大(實施例B-1)。從實施例B-2排出廢氣的氫的降低可以看出，當保持高的乙烯選擇性時，顯示較佳的氫消耗值。從實施例B-1與對比實施例2的比較中，乙烷轉換的提高，廢氣中氫排出的增加可以看出脫氫催化劑的作用。
實施例B-3把按照實施例E製備的隔膜裝入反應器，並用玻璃粉密封，該玻璃粉從Corning(NO8161，具有軟化點600℃)獲得，它懸浮在異丁醇中。封口在750℃下處理30分鐘。將溫度提高到874℃，讓氮氣通過隔膜的燃料側，並讓空氣(200毫升/分鐘)通過隔膜的另一側。用乙烷(57.2毫升/分鐘)代替氮氣。在通入乙烷60分鐘後產生的液體用乾冰/丙酮捕集器捕集並稱重，收集產生的氣體，並用氣體色譜法分析。60分鐘後溫度降低到591℃並將氮氣通入隔膜的燃料側。用乙烷(49.2毫升/分鐘)取代氮氣並按前述的方法收集產品。78分後溫度升高到693℃並在該溫度下保持1小時。溫度提高到780℃。溫度在780℃下保持3小時，乙烷的流量提高到82毫升/分鐘，並且實驗輔加繼續進行102分鐘。用氮氣代替乙烷，並且溫度降到640℃。丙烷(33毫升/分鐘)代替氮氣，並且溫度保持輔加3小時。用氦代替丙烷，並將反應器冷卻到室溫。這些實驗的結果概括在下表中。
表III用(In2O3)0.475(PrO2)0.05(ZrO2)0.475轉化為不飽和烴燃料流量 溫度轉化率 選擇性電流密度(cc/min)(℃) (％) ％烯烴(mA/cm2)乙烷57.2 874 94.3 25.4689乙烷49.2 591 1.763.577乙烷49.2 780 73.9 64.0467乙烷82.0 780 70.6 73.4708丙烷33.3 640 65.4 74.7447將反應器拆開，用金剛石鋸將隔膜與支承管鋸開。緊靠著隔膜的一小部分支承管被切斷，並且連接在隔膜上的大約一英寸截面積的α-SIC進料管也被切去。稱這三部份材料的重量，然後放在管爐中，在空氣中加熱到750℃以燒去任何沉積在其上面的碳。冷卻後，試樣再次稱重，可以計算出沉積碳與暴露表面的關係。其結果概括在下表中表IV對在Al Kane脫氫反應器中使用過的材料的碳沉積量的測定材料 碳沉積mg/cm2氧化釔穩定的氧化鋯支承管 3.4α-SIC 1.1(In2O3)0.475(PrO2)0.05(ZrO2)0.475＜0.3**重量基本上沒有變化，基於稱重的測定限度，所以碳的沉積值是上限值。
本發明涉及將飽和烴轉化為未飽和烴的改進的連續的方法。該方法的特徵是，催化的非氧化的乙烷脫氫反應和放出的氫的氧化反應的共同結合。本發明人相信，方法的最後結果，正如用下面反應式表示的是選擇性飽和烴氧化脫氫反應。
用乙烷轉化成乙烯作為一個例子，本發明人認為，該方法可以表示如下(反應1)(反應2)(最終的反應)因為該過程可認為是一個最終的氧化反應，所以顯然是基本上沒有熱力學過程對飽和烴的轉化反應施加限制。
因為改進的方法仿佛是利用放出的氫的氧化反應(上述的反應2)以消除熱脫氫反應(上述的反應1)的平衡結果限度，帶有高的乙烯選擇性的乙烷轉化是可能的。此外，由於改進的方法的操作溫度實際上比工業上乙烷轉化為乙烯的操作溫度低，所以很少發生焦化現象。並且本發明的方法所需要的時間少於工業方法所需的時間。
雖然本發明認為上述設想的反應順序是正確的，但是本發明不受這理論的限制，而本發明是由本申請公開的全部內容所限定的。
芳族化合物取代效果在下面實施例D-1至D-7和C-1中，在按照本發明的方法，在實驗室的反應器裡處理含氫芳族化合物和第二含氫化合物的混合物。上述的實驗室反應器與圖1和圖2所示的反應器相類似。反應器電池是用長60cm(外徑10mm，內徑8mm)的8％氧化釔穩定的氧化鋯管制造，該管是由鋯產品(Corning)獲得。管的內表面塗有用α-萜品烯稀釋的銀墨(Engelhard A3148)薄層，以提供可透過的陰極。在與陰極相反一側的管的外表面上，也用Engelhard A3148銀墨塗上接連條帶，形成一個4英時長的銀陽極。在空氣中，在850℃下加熱管使銀粘結於管壁。將銀電極與外電路連接，即用釺焊將銀線連接於兩電極的端部。
用SWAGELOKTM管裝配件和聚四氟乙烯套圈，將一段長外徑為14mm的石英管套裝在氧化鋯管的中央部份，SWAGELORTM管裝配件也連接於氧化鋯管的每一端，並從石英套管中伸出。將裝配組合件放到能加熱到1100℃的裂解爐中，而銀墨線通過一個電路與電流表和一個可調電源相連。該電路可使電流在具有或不具有從電源施加附加電壓的情況下、從該電路中流過。
電極的規定如下讓空氣以50毫米/分鐘的流量通過氧化鋯管內部。讓氮氣以50毫米/分鐘的流量通過氧化鋯管和石英管之間的空間。用大約90分鐘的時間，將管子加熱到700℃，在達到所要求的反應溫度後，用含芳族化合物和第二含氫化合物的混合的氣體代替50毫升/分鐘的氮氣，實驗開始。
在下面實施例D-1至D-5和對比實施例C-1中，芳族化合物是苯，而第二含氫化合物是乙烯。在實施例D-6中，芳族化合物是苯，而第二含氫化合物是乙烷。在實施例D-7中，芳族化合物是苯，而第二含氫化合物是甲烷。對比實施例C-1是一個斷路實驗，所以沒有氧離子通過氧化鋯管轉移到苯/乙烯原料中。經大約30分鐘的時間可獲得氣體產品的試樣，並用氣體色譜法分析氣體試樣。電流值是穩定狀態的值，而按試驗記錄的苯的轉化是在試驗的最終的轉化。在實施例D-1至D-5中，用與電流表串聯的Lambda 530型電源施加一個外部電壓。在大氣壓下實施所有的試驗。
除了另外說明，各份數、百分比、比率和類似的表示均以摩爾計。
表V實施例 溫度 外加電壓 電流 比率 苯轉化率產品的選擇性％No.(℃)(伏)(mA)Alk./Bz(％)Biph.Styr.EtBzTol.
C2H4/BzC-1 650 - -0.86 0.436.0 64.0C2H4/BzD-1 650 0.5 228 0.84 1.424.0 68.64.33.1C2H4/BzD-2 650 0.5 205 1.76 1.86.2 87.55.33.9C2H4/BzD-3 650 2.0 650 1.37 3.48.4 79.85.95.9C2H4/BzD-4 700 0.5 323 1.84 8.314.6 75.44.95.1C2H4/BzD-5 700 2.0 839 1.81 10.5 21.8 68.64.45.2C2H4/BzD-6 700 2.0 767 3.7 1.353.9 29.112.8 4.2CH4/BzD-7 750 0 47 3.0 2.487.6 -- 12.3註解縮寫代表Alk烷烴或烯烴Biph 聯苯Bz 苯Et.乙基EtBz 乙苯Styr. 苯乙烯Tol. 甲苯上述alk./bz比是摩爾比表VI實施例 溫度 產品 毫摩爾/分 生產率No.(℃)毫摩爾/分-克*C-1 650 苯乙烯 0.0008 0.0011D-1 650 苯乙烯 0.0054 0.0075D-2 650 苯乙烯 0.0034 0.0047D-3 650 苯乙烯 0.0073 0.0102D-4 700 苯乙烯 0.0180 0.0251D-5 700 苯乙烯 0.0240 0.0335D-6 700 苯乙烯 0.0014 0.0020D-7 750 甲苯 0.0007 0.0011*每克電極材料的生產率從表V和VI的結果表明，如果接通電路通過氧化鋯的壁轉移氧，轉化及選擇性提高了。表V中記錄的電流表明，從產生電流可作為有用的副產品，結果還表明，在電級間加上電壓，可提高苯的轉化率。
實施例D-6表明，用苯和乙烷可以直接製得苯乙烯。實施例D-7表明，苯可與甲烷耦合，並且一般是芳族的烷基化。
把溫度從650℃提高到700℃對乙烯烴化的影響通常是提高了苯的轉化率。對於乙烯的烴化通過將實施例D-2與實施例D-1對比可以看出，作為乙烯對苯的比例增加的結果，對苯乙烯的選擇性增加了。
氣體淨化效果下面實施例E-1至E-9說明氧化鋯管的製備，該管類似於圖9和圖10所示的反應器，可將它用於本發明的電化學電池中，用來淨化氣體。
這些實施例並不是對本發明說明書所公開內容的限制。
實施例E-1製備具有PbO/Au陰極和PbO/Au陽極的開口管。
一緻密的外徑為12mm，壁厚為1mm氧化釔穩定的氧化鋯管(下文為「YSZ管1)，它從俄亥俄州的Solon的鋯石產品獲得，在管的內外表面塗復一薄層漿，該漿是用分散在α-萜品烯的相同體積的PbO和金墨(Engelhard part No.A4650，Lot No.M-13966)配成而成。將該管放在空氣中在85℃下乾燥15-30分鐘，蒸發掉有機溶劑。塗復了塗層的管吊掛在放在爐子中的、鉻鎳鐵合金(In-conel)600的管中，在有流動空氣的條件下加熱到850℃。並在850℃下保溫一整夜，然後將管冷卻到室溫。
實施例E-2製備具有Pt陰極和Pt陽極的開口管用5(體積)％CoO、60(體積)％NiO和35(體積)％ZrO2在α-萜品烯中的懸浮液，沿著YSZ管1內表面的全長及管外表面全長61.0cm的40.6cm的長度進行塗覆。塗覆了塗層的管在空氣中在120℃在乾燥。塗覆程序重複二次以上。塗有塗層的管在1650℃下加熱2小時並將它冷卻。燒制的管在濃鹽酸中浸泡，然後用蒸餾水衝洗，重複這個過程直到鹽酸溶液的顏色保持不變。用分散在α-萜品烯的含有3(重量)％的Bi2O3的Pt墨(Engelhard)的懸浮液處理管的內表面，以製備陽極。在管外表面的合適部位塗復上述類似的懸浮液，以製備陰極。管在空氣中在120℃下乾燥，並在1065℃下焙燒15分鐘。電阻測定表明，電極是導電的。
實施例E-3製備具有Pt/k+k陰極和Pt陽極的開口管接續實施例E-2的方法，在將鉑電極塗覆到陽極和陰極後，在把管放在空氣中在120℃的溫度下乾燥之前，將氫氧化鉀在水中的稀釋溶液塗覆到陰極上。測定電阻表明，Pt/k+k陰極和陽極是導電的。
實施例E-4製備閉口管配製PH9的5摩爾量％氧化釔穩定的氧化鋯的水溶液漿液，利用漿液澆鑄技術製備閉口管。管的外徑為9.52mm，內徑為6.35mm，長度為26.7cm，並將管的一端封閉。管在1000℃下焙燒，取出並磨光。管(下文為「YSZ」管2)在1100℃下重新焙燒，並準備用作電極。
用由萜品稀釋的鉑墨(Engelhard)塗覆YSZ管2的內表面(陽極)和外表面(陰極)來製備鉑極。在外表面的頂端一英寸留下不塗覆。淋去多餘的墨後，使管在1500℃下焙燒。用萬用表測試電極的電阻，如果測出的內部或是外部塗層的電阻高於0.5歐姆，重複進行塗覆和焙燒的工藝。第二及相繼的塗層在1000℃下焙燒。一般需要塗復7-9次，以便獲得新要求的電阻。
下面的實施例說明含催化劑反應器管的製備。
實施例E-5製備具有La2O3/Pt陰極和Pt陽極的閉口管將5毫升萜品醇與1克La2O3混合。用上述的混合漿，塗覆按照實施例E-4製備的閉口YSZ管2的外鉑表面。只有10％的漿液塗覆在管上，復蓋管的底部4英寸。當催化劑塗層仍然是溼的時，要仔細裝配反應器。將YSZ管插入石英爐襯，管的塗層區伸入到爐子的熱區，並且接上合適的氣體裝配件。然後，用3-4個小時將反應器慢慢加熱到反應溫度，在反應器被加熱時，用空氣吹洗電極以除去蒸發的萜品醇。
實施例E-6製備具有La0.6Sr0.4CoOx/Pt陰極和Pt陽極的閉口管；接續實施例E-5的方法，只是在製備用於作催化劑塗層的漿液的過程中，用大約1克La0.6Sr0.4CoOx鈣鈦礦代替1克的La2O3。
實施例E-7製備具有ZnMnO4/Pt陰極和Pt陽極的閉口管。按照實施例E-5的方法，只是製備用於作催化劑塗層的漿液的過程中，用大約1克ZnMoO4代替1克的La2O3。
實施例E-8製備具有FeWO4/Au陰極和Pt陽極的閉口管。
製備陽極用由萜品醇稀釋的鉑墨塗覆用鋯石產品製得的YSZ管的內表面。用酒精將鉑墨(Engelhard)稀釋到大約20％。在塗覆鉑漿前，堵塞YSZ管的一端。塗上鉑墨後，滾動管子，以便均勻地塗覆管子的內表面。從管子淋去多餘的墨，並作為以後塗層用。將管子放在乾燥爐中，在100℃下乾燥1小時，以蒸發萜品醇。鉑陽極在1065℃下焙燒15分鐘。要求再塗兩層鉑塗層，以便把陽極的電阻減少到不到1歐姆。
製備陰極用金-鎢酸鐵陰極覆蓋按照上述方法製備的具有鉑陽極的YSZ管。陰極的製備是通過鎢酸鐵與金墨(Engelhard)混合(重量比大約為10∶1)。把大約1克的澱粉作為造孔材料加入到混合物中。用5毫升萜品醇稀釋該混合物。把所得到的混合漿液塗在管的外表面上，除了管子的頂部和底部10.2cm外，塗復所有的外表面。剩餘的漿液留著後面塗覆用。在將該管在850℃下焙燒2小時之前，先在乾燥爐中在100℃下蒸發萜品醇1小時。再塗一層這樣的塗層，以便降低陰極的電阻。
實施例E-9製備具有鐵酸鋅(ZnFe2O3)的陰極和鉑陽極的閉口管。
接續實施例E-5的方法，只是用1克鐵酸鋅代替1克La2O3。
除去二氧化硫的實施例將按上述方法製備的管放入石英管內，並裝上接頭以便將氣體混合物輸入中心區和環形區。即使用SWAGELOKTM管裝配件和聚四氟乙烯套環將外徑14mm的石英管套在氧化鋯管的中央部分，SWAGELOKTM管裝配件也連接於氧化鋯管的每一端，並從石英套管中伸出。將該組件放入能加熱1100℃的裂解爐內，而導線通過一個電路與電流表和一個可調電源相連。該電路可使電流在具有或不具有從電源施加的附加的電壓的情況下從該電路中流過。
電極規定如下將上述反應器組件吊掛在裂解爐內並加熱到800℃，讓空氣通過環形區，讓氮氣通過中心區。如果反應器達到800℃，如裝在爐子中的熱電偶所示的那樣，即用20毫升/分鐘的氫氣代替氮氣和在氦氣中佔1(體積)％的SO2氣體以100毫升/分鐘的流量代替空氣。
按下表所示調節1(體積)％的二氧化硫的流量和溫度，並概括了氣體產品的付裡葉紅外轉換分析的結果。
用於計算廢氣中還原的二氧化硫百分數和從廢氣中除去純硫的百分數的公式如下
除了另外說明，所有的份數百分比、比率和類似的表示都以摩爾(根據重量和/或體積測量值)計，「ppm」是代表百萬分之一體積，(它粗略等於百萬分之一的摩爾數，這是根據公知的用於理想氣體的氣體定律PV＝nRT)。
用這些方法所得到的數據見下表VII至XVI所示。在表中對於每一實施例的數值是基於至少兩次試驗的平均數。在所用管的冷區發現硫。
表VII陰極PbO/Au和陽極PbO/Au每個實施例C-1實施例溫度外加電壓流量1％SO2電流轉化的％SO2(℃)(伏)(mL/min)(mA)E-11-1 900 0.0 100 30 1.01-2 900 0.037100 30 11.01-3 900 0.885100 230 83.01-4 900 1.3 100 270 96.51-5 900 1.5 100 280 99.01-6 900 0.03715 20 93.61-7 800 0.0 100 60 1.8實施例1-1表明，在被短路的電化學電池中，用氫作為燃料氣可以還原SO2。從實施例1-2至1-6表明，在電化學電池中通過加上電壓並以氫作為燃料可以除SO2。實施例1-7表示該電池在800℃下所取得的結果。
用僅含有98ppm的二氧化硫氣體代替1％的二氧化硫氣體，並重複試驗。其結果見下表VIII。
表VIII陰極PbO/Au和陽極PbO/Au每個實施例C-1實施例 溫度外加電壓98ppmSO2電流轉化的％SO2(℃)(伏)(mL/min)(mA)E-22-1 ＞900 0.0 100 10 76.52-2 ＞900 0.0 1510 80.12-3 800 0.0 100 10 69.82-4 800 0.0 5010 86.8表VIII的結果表明，在不加電壓的情況下，用氫作燃料，所含的二氧化硫可得到有效的還原。該結果還表明，即使二氧化硫的含量很低，也能得到還原。
表IX陰極Pt和陽極Pt每個實施例C-2燃料氣H220毫升/分鐘實施例 溫度 外加電壓 1％SO2空氣 電流 除去的％SO2(℃)(伏)(ml/min)(ml/min)(mA)E-33-1 900 - 100- 90 20.63-2 900 - 30 - 70 84.83-3 910 - 30 - 70 82.13-4 1000 - 30 - 80 98.53-5 1000 - 100- 140 55.13-6 1000 - 100- 140 52.73-7 1000 - 100- 140 52.0表IX的結果表明，用Pt電極，能使二氧化硫還原。
然後調整表IX反應器電池的試驗條件，即在1000℃下，用流量為100毫升/分鐘的空氣代替含1％SO2的氣體，並將氮氣送入反應器電池的陽極端，時間18小時。使用上述條件的反應器電池所取得的結果見表X所示。
表X陰極Pt陽極Pt每個實施例C-2燃料氣H220ML/MIN實施例 溫度 外加電壓 1％SO2空氣 電流 除去的％SO2(℃)(伏)(ml/min)(ml/min)(mA)E-44-1 1000 - 100 -120 36.54-2 1000 - 100 -120 36.54-3 1000 - 100 -110 36.94-4 1000 - 100 5230 10.24-5 1000 - 30 70 980 64.84-6 1000 - 50 50 940 64.44-7 1000 - 80 20 820 29.14-8 1000 - 100 -80 24.74-9 1000 - 100 5220 0表X的結果表明，甚至存在空氣的情況下對硫的還原也能發生。在表IX和X之間出現除去的SO2％的差別，這是由於某些Pt的燒結，在1000℃下在18小時的情況下可能發生Pt燒結。
表XI陰極Pt(K+K)和陽極Pt每個實施例C-3燃料氣H220ML/MIN實施例 溫度 外加電壓 1％SO2空氣 電流除去的％SO2(℃)(伏)(ml/min)(ml/min)(mA)E-55-1 920 -100- 100 5.3C/1 1000OPEN 100- - 05-2 1000-100- 60 26.55-3 1000-30 - 70 82.4表XI的結果表明，如果接通電路(實施例5-1至5-3)，在反應器電池中則發生除去二氧化硫現象，但是如果不接通電路(對比實施例C/1)，則不發生除去二氧化硫的現象。
然後調整表XI反應器電池的試驗條件，即在1000℃下，用流量為15毫升/分鐘空氣衝淡含1％SO2的氣體。然後用流量為30毫升/分鐘的空氣吹洗反應器電池(陰極區)。然後接通含1％的SO2氣體。使用上述條件的反應器電池，所取得的結果見表XII所示。
表XII陰極Pt(K+K)和陽極Pt每個實施例C-3燃料氣H220ML/MIN實施例 溫度 外加電壓1％二氧化硫 空 氣電流％SO2℃Vml/minml/minmA除去E-5sA-11000 -30-30 20.1sA-21000 -3015 480 44.8表XII的結果表明，在1000℃下用空氣處理期間，可能發生鉑的燒結。結果還表明，在空氣存在的情況下，摻雜鹼金屬的陰極可有效地除去二氧化硫(實施例5A-2)。
使用由各種催化材料塗覆的反應器電池的實施例所取得的數據如下表XIII-XVII所示。
表XIII陰極La2O3/Pt和陽極Pt每個實施例C-5燃料氣H220ML/MIN實施例 溫度電流 外加電壓 進料 廢氣 廢氣還原的除去的淨℃(I，mA)(伏)ppm SO2ppm COS％SO2％SE-6C/2650 - 斷路B 8462 - 15.4 15.46-1650 800 B 58 - 99.4 99.4C/3650 - 斷路B 8028 - 19.7 19.76-2650 800 B 1086 - 89.2 89.26-3650 80 0 A 168 9 94.994.76-4650 80 0 B 110 - 98.998.96-5650 80 0 A 350 19 89.488.86-6650 70 0 C 136 21 95.895.36-7650 70 0 D 599 27 81.881.06-8650 70 0 A 445 22 86.585.8進料A＝16ml/min 0.33％SO2，6.2％O2，12.8％CO2，Bal.N2B＝16ml/min 1％SO2，Bal.HeC＝38ml/min 0.33％SO2，6.2％O2，12.8％CO2，Bal.N2D＝83ml/min 0.33％SO2，6.2％O2，12.8％CO2，Bal.N2實施例6-1，6-2，6-4和對比實施例C/2和C/3表明，按照本發明為反應器被短路(實施例6-1，6-2和6-4)時，對於含1％SO2的氣體，被還原的％SO2和被除去純％S的量是很高的(＞85％)，與其相反，當把電路斷開時(C/2和C/3)，還原的SO2和除去的淨硫都小於20％，這是因為只有催化劑存在的原因。實施例6-3和6-5至6-8表明，不給反應器電池施加電壓的情況下，並用SO2，O2，CO2和N2的混合氣模擬燃料氣輸入反應器的情況下，可高效除去二氧化硫，並且有害的COS(羰的硫化物)的生成可以減少的最低的程度。
表XIV陰極La.6Sr.4CoO3/Pt和陽極 Pt每個實施例C-6熔料氣H2，20ML/MIN實施例 溫度 電流外加電壓 進料ppm SO2ppm COS％SO2除去的淨(℃)(I，mA)(伏)廢氣廢氣還原的％SE-77-1700 110 .032A - 1265100 49.47-2600 40 .032A 103 842 95.9 62.27-3575 30 .032A 364 408 85.4 69.17-4550 20 .032A 873 204 65.1 56.97-5550 30 0.1 A 604 253 75.8 65.77-6525 15 .032A 1166109 53.4 49.07-7525 20 0.1 A 972 129 61.1 56.07-8525 30 0.32A 520 233 79.2 70.07-9500 10 .032A 153464 38.6 36.17-10 500 20 0.3 A 1112105 55.5 51.37-11 525 30 0.4 A 393 324 84.3 71.37-12 525 40 0.6 A 24 697 99.0 71.27-13 475 10 .032A 156936 37.2 35.87-14 475 20 1.1 A 566 151 77.4 71.37-15 475 30 1.5 A 224 289 91.0 79.57-16 450 20 2.0 A 622 116 75.1 70.5實施例 溫度 電流 外加電壓 進料ppm SO2ppm COS％SO2除去的淨(℃)(I，mA)(伏)廢氣廢氣還原的％S7-17 525 30 0.4A 204 32491.8 78.97-18 525 20 0.4B - 861100 65.67-19 525 30 0.4A 189 35492.4 78.37-20 525 30 0.4C 2131 79 14.8 11.67-21 525 60 1.1C 1091 19756.4 48.57-22 525 70 1.25 C 876 24665.0 55.27-23 525 80 1.5C 509 38979.6 64.17-24 525 90 1.8C 256 68089.8 62.57-25 525 30 0.4C 257 37089.7 74.97-26 525 45 0.4D 433 19 79.9 79.07-27 525 55 0.6D 385 17 82.1 81.3進料 A＝30ml/min 0.25％SO2，14.4％CO2，Bal.N2B＝15ml/min 0.25％SO2，14.4％CO2，Bal.N2C＝60ml/min 0.25％SO2，14.4％CO2，Bal.N2D＝35ml/min 0.25％SO2，14.4％CO2，6％O2，Bal.N2實施例7-1至7-27表明，在這些實施例中，反應器電池是給定的，而溫度、施壓電壓、進料氣體組份和進料氣體流量是不同的。施加電壓對被還原的％SO2和被除去的％S的影響在溫度低於525℃時比在較高溫度時要稍大一些。
表XV陰極ZnMo4/Pt和陽極 Pt每個實施例C-7燃料氣H2，20ML/MIN實施例溫度 電流 外加電壓ppm SO2ppm COS ％SO2除去的淨％S(℃)(I，mA)(伏)廢氣廢氣還原的E-88-1 800 130 0 238 101090.5 50.18-2 700 70 0 177 146292.9 34.48-3 650 50 0 148 997 94.1 54.28-4 600 40 0 121 724 95.2 66.2C/4 600 -斷路2411 23 3.6 2.6進料30ml/min 14.4％CO2，0.25％SO2，Bal.N2實施例8-1至8-4表明，在本發明的另一個反應器電池中，在沒有對反應器電池施加電壓的情況下，SO2和COS的排出物會顯著地減少，相比之下，單靠催化劑和熱活度的對比實施例C/4是最小的。
表XVI陰極 FeWO4/Au和陽極Pt每個實施例C-8燃料氣H2，20ML/MIN實施例 溫度 電流外加電壓 進料 Ppm SO2ppm COS ％SO2除去的淨％S(℃)(I，mA)(伏)廢氣廢氣還原的E-99-1 800 410 0.75 A 388 178 88.282.89-2 850 105 .037 B 1045- 89.689.69-3 850 200 0.75 B 214 - 97.997.99-4 800 120 0.75 B 613 - 93.993.9C/5 800 -斷路 B 9888- 1.1 1.1C/6 800 -斷路 A 675211 - -9-5 800 100 0.75 A 276318 16.315.7進料 A＝30ml/min 6.2％O2，0.33％SO2，12.8％CO2，Bal.N2B＝30ml/min 1％SO2，Bal，He表XVI表明在除SO2和減少COS生成方面，本發明的施加電壓的電化學反應器(實施例9-1至9-4)要比沒施加電壓而只靠催化劑和熱活度的電化學反應器(對比實施例C/5和C/6)的效果大得多。
表XVII陰極ZnFe2O4/Pt陽極Pt每個實施例C-9實施例 溫度 電流外加電壓 進料 ppm SO2除去的％SO2(℃)(I，mA)(伏)廢氣E-1010-1700400 A 7650 17.710-2700500.1 A 6350 31.710-3700650.2 A 5147 44.710-4700800.3 A 3497 62.410-5700100 0.3 B 229 97.5C/7 700斷路 斷路 B 12,587*10-6700100 0.3 B 366 96.010-7700160 0.3 C 201 97.6C/8 700斷路 斷路 C 19,256*C/9 700斷路 斷路 C 7273 12.410-8700250 0.3 C 548 93.410-9700200 0.2 C 418 95.010-10 700180 0.032 C 582 93.0*＝廢氣的SO2濃度超過進料的，這表明在實驗期間從催化劑放出所吸附的SO2A＝9300ppm SO2in HeB＝9200ppm SO22700ppm O2inN2C＝8300ppm SO221,000ppm O2inN2實驗10-1至10-4表明，鐵酸鋅是還原SO2的有效的電催化劑，並且提高推動力(加上電壓)可提高除去SO2的速度。實驗10-1還表明還原SO2不須要加電壓的情況。
實驗10-5和10-6和對比實驗C/7表明，氧的鐵酸鋅還是有效的還原SO2的電催化劑。並且在斷路的對比實施例C/7的情況下，沒有氧的轉移，SO2沒有除去。事實上，先前吸附的SO2開始放出。
實驗10-7表明，較高濃度的氧對SO2的還原不會產生不利的影響。而對比實驗C/8表明，如果電路斷開，則氧的轉移停止，SO2的還原停止，並且SO2開始解吸。在對比實驗C/8之後，對比實驗C/9進行大約24小時，該實驗表明，將所有被吸附的SO2除去後，SO2的解吸過程停止，而且SO2的濃度幾乎與進料的相同。
實施例10-8至10-10表明重新產生氧的轉移，重新產生SO2的還原過程，即過程是可逆的並和氧的轉移有關。
表XIII-XVII的綜合結果表明，如果電化學電池包括催化劑塗層，不僅可以從廢氣中除去高百分比的二氧化硫，而且也可以從廢氣中除去高的百分比的淨硫，因為在進料混合氣中二氧化硫和二氧化碳之間有低含量的作為反應的產物生成的硫化羰，所說進料混合氣的特徵是廢氣和煙道廢氣。表XIII-XVII還表明，可使多種催化材料來提高反應器電池的效率，而提高的效率依靠本發明的反應器電池元件的氧離子的轉移。
當通過最佳實施例已對本發明作了說明的之後，可以理解，本領域的技術人員在閱讀了該說明書的基礎上，對本發明顯然將會作出各種改變。因此，應該指出，在此公開的本發明的內容被認為包括了上述將會作出的各種改變，它們屬於帶附的權利要求書範圍之內。
權利要求
1.一種在含有耗氧氣體或者含氧氣體的環境中使耗氧氣體和含氧氣體反應的電化學反應器電池，其特徵在於，一種固體多組分膜或元件，它具有一進口端、一個出口端，和一個位於兩者之間用於使一種或多種氣體從進口端向出口端移動的通道，其中，所述固體膜的特徵在於(1)由一種傳導電子的相和一種傳導氧離子相組成的的緊密不透過氣體的多相混合物，且組成這多相混合物的至少一相包括傳導電子或傳導氧離子的具有鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物或(2)一種具有鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物材料，包括(1)一種鑭系元素、Y，或一種鑭系元素和Y的組合，(2)至少一種鹼土金屬，(3)Fe，和(4)Cr、Ti或Cr和Ti的組合，而該元件具有一個能將氧還原為氧離子的第一表面，一個能使氧離子與一種耗氧氣體反應的第二表面，在該第一和第二表面之間的傳導電子的通路，和在該第一和第二表面之間的傳導氧離子的通路，其特徵在於，所述元件包括(A)一種其有鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物材料，和(B)一導電覆蓋層、一種催化劑，或一個具有催化劑的導電覆蓋層。
2.根據權利要求1的電化學反應器電池，其特徵在於，固體膜中混合金屬氧化物材料包括(1)La、Y，或La和Y的組合，(2)Ca、Sr，或Ca和Sr的組合，(3)Fe，(4)Cr，和(5)Mn、Co，或Mn和Co的組合。
3.根據權利要求1的電化學反應器電池，其特徵在於，固體膜中混合金屬氧化物材料包括La、Sr、Fe、Cr和Co。
4.根據權利要求1的電化學反應器電池，其特徵在於固體膜中混合金屬氧化物材料由下式表示As A’t Bu B』v B″w Ox其中A代表一種鑭系元素或Y，或其混合物；A』代表一種鹼土金屬，或其混合物；B代表Fe；B′代表Cr或Ti，或其混合物，和B″代表Mn、Co、V、Ni或Cu，或其混合物，和s，t，u，v，w和x各代表滿足下列條件的數值s/t等於約為0.01-100；u等於約為0.01-1；v等於為約為0.01-1；w等於約0-1；x等於能滿足式中A、A』、B、B』和B″的化合價所需的數值，而且0.9＜(s+t)/(u+v+w)＜1.1。
5.根據權利要求4的電化學反應器電池，其特徵在於A代表La或Y，或其混合物；A』代表Ca或Sr，或其混合物；B』代表Cr；和B″代表Mn或Co，或其混合物；s/t等於約為0.1-20；v等於約0.05-0.5；和w等於約0.01-0.5。
6.根據權利要求1的電化學反應器電池，其特徵在於，元件中催化劑包括一種硫還原催化劑。
7.一種在含有耗氧氣體或者含氧氣體的環境中使耗氧氣體和含氧氣體反應的電化學反應器電池，其特徵在於，一種固體多組分膜或元件，它具有一進口端、一個出口端，和一個位於兩者之間用於使一種或多種氣體從進口端向出口端移動的通道，其中，所述固體膜的特徵在於(1)由一種傳導電子的相和一種傳導氧離子相組成的的緊密不透過氣體的多相混合物，且組成這多相混合物的至少一相包括傳導電子或傳導氧離子的具有鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物，或(2)一種具有鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物材料，包括(1)一種鑭系元素、Y，或一種鑭系元素和Y的組合，(2)至少一種鹼土金屬，(3)Fe，和(4)Cr、Ti，或Cr和Ti的組合，而所述元件包括一種氣密固體電解質，它具有一個第一表面和一個第二表面，該第一表面塗有能易於使氧還原為氧離子的導電金屬、金屬氧化物，或其混合物，該第二表面也塗有導電的金屬、金屬氧化物，或其混合物，其中，兩導電塗層由外部電路使其相互聯接，兩塗層在操作溫度下是穩定的，並且第一導電塗層包括一種硫還原催化劑。
8.一種在含有耗氧氣體或者含氧氣體的環境中使耗氧氣體和含氧氣體反應的電化學反應器電池，其特徵在於，一種固體多組分膜或元件，它具有一進口端、一個出口端，和一個位於兩者之間用於使一種或多種氣體從進口端向出口端移動的通道，其中，所述固體膜的特徵在於(1)由一種傳導電子的相和一種傳導氧離子相組成的的緊密不透過氣體的多相混合物，且組成這多相混合物的至少一相包括傳導電子或傳導氧離子的具有鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物或(2)一種具有鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物材料包括(1)一種鑭系元素、Y，或一種鑭系元素和Y的組合，(2)至少一種鹼土金屬，(3)Fe，和(4)Cr、Ti，或Cr和Ti的組合，而所述元件具有一個能將氧還原為氧離子的第一表面，一個能使氧離子與一種耗氧氣體反應的第二表面、在第一表面和第二表面之間的傳導電子的通路、和在第一表面和第二表面之間的傳導氧離子的通路，其特徵在於，該元件包括(A)一種固體多組分膜，該膜的特點在於，(1)一種固體電解質，(2)一個傳導電子相和一個傳導氧離子相的緊密不透過氣體的多相混合物，或(3)一種具有鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物材料，和(B)一種導電塗層、一種催化劑，或一種包括催化劑的導電塗層，其中(B)包括(1)一種導電塗層，該導電塗層包括以導電塗層的重量計的從約1％至約50％的鹼金屬或鹼土金屬或金屬氧化物，或(2)一種氧化偶合催化劑條件是當元件不包括不透過氣體的多相混合物(2)或具有鈣鈦礦結構的混合金屬氧化物材料(3)時，(B)包括此氧化偶合催化劑，第一表面和第二表面，每個表面有導電塗層或包括一種催化劑的導電塗層，和第一導電錶面和第二導電錶面由一個外部電路相連接。
全文摘要
一種在含有耗氧氣體或者含氧氣體的環境中使耗氧氣體和含氧氣體反應的電化學反應器電池，其特徵在於，一種固體多組分膜或元件，它具有一進口端、一個出口端，和一個位於兩者之間用於使一種或多種氣體從進口端向出口端移動的通道。
文檔編號B01J12/00GK1227977SQ98123860
公開日1999年9月8日 申請日期1990年12月24日 優先權日1989年12月27日
發明者特裡·J·馬贊內克, 託馬斯·L·凱布爾, 小約翰·G·弗賴伊, 韋恩·R·克利韋 申請人:標準石油公司