[0001] 本公开总体涉及电化学反应领域，尤其涉及应用于羰基化反应的卤素和一氧化碳的电化学联合生产的方法和/或系统。

[0002] 在生产活动中，例如发电、运输以及生产，化石燃料的燃烧每年都会产生数十亿吨的二氧化碳。自二十世纪七十年代以来的研究表明，大气中二氧化碳浓度的增加可能就是全球气候变化的原因，例如海洋pH值的变化以及其它潜在的杀伤效应。世界各国，包括美国，都正在寻找减少二氧化碳排放的方法。

[0003] 减排的机理是将二氧化碳转化为具有经济价值的物质，比如燃料和工业化学品。如果使用循环能源的能量转化二氧化碳，减少二氧化碳的排放和将可循环能源转化为可以被存储以备后用的化学形态都是有可能的。

[0004] 优选实施例简述

[0005] 本公开涉及一种用于生产一种含有阴极的电化学电池的第一区的第一产物以及含有阳极的所述电化学电池的第二区的第二产物的系统和方法。该方法可包括步骤：使所述第一区接触含有二氧化碳的阴极电解液；使所述第二区接触含有一循环反应物的阳极电解液；该方法进步包括在所述阳极和所述阴极之间施加一电势足以生产从所述第一区可恢复的一氧化碳和从所述第二区可恢复的卤素。

[0006] 应当理解上述总的说明和以下的详细说明都为是该公开的典型例子和起解释作用的例子，并不必是限制本公开。作为包含在说明书中的一部分的附图解释本公开的实质。说明书与附图一起共同解释该公开的原理。

[0007] 附图简要说明

[0008] 通过参考下列附图，本领域技术人员可更好地理解本公开多个特点：

[0009] 图1是本公开一个实施例的系统的框图；

[0010] 图2是本公开另一个实施例的系统的框图；

[0011] 图3是本公开一个附加实施例的系统的框图；

[0012] 图4是本公开另一个附加实施例的系统的框图；

[0013] 图5是本公开另一个附加的实施例的系统的框图；以及

[0014] 图6是本公开另一个附加的实施例的系统的框图。

[0015] 将会详细介绍本公开的现有优选的实施方案，实施方案中的实施例通过附图阐明。

[0016] 总体上参考图1-6，公开了电化学联合生产产物的系统和方法。可以预见的是产物的电化学联合生产可包括在电化学电池的阴极侧生产第一产物，例如将二氧化碳还原为一氧化碳，并电化学电池的阳极联合生产第二产物，例如卤素。

[0017] 此外，本公开涉及一种系统和方法，利用电化学电池生产第一产物和在异氰酸酯生产过程中产生的作为中间体产物的第二产物。有利的是，在一个实施例中，系统和方法利用能够产生异氰酸酯，不产生中间体碳酰氯的电化学电池。一种用于生产第一产物和第二产物的方法可包括步骤：第一区与包括二氧化碳的阴极接触，以及第二区与包括循环反应物的阳极接触。所述第一产物产自于具有阴极的电化学电池的第一区，所述第二产物产自具有阳极的电化学电池的第二区。该方法可进一步包括在阳极和阴极之间施加足够电势以产生可自第一区可恢复的一氧化碳和自第二区可恢复的卤素。

[0018] 本公开进一步涉及一种附加产物的生产，例如异氰酸酯或碳酸烷基酯，通过电化学电池产生的副产物与附加反应物的的进一步反应，所述副产物例如一氧化碳和卤素。可以预见的是， 将一氧化碳和卤素干燥至含水量以重量计小于0.10%的程度。附加反应物可包括胺、甲胺、丁胺、苯胺、联胺、二氨基甲苯、4,4′-亚甲基联苯胺、己二胺、间四甲基苯二甲胺和甲苯二胺中的至少一种以生成异氰酸酯，或者醇、甲醇和乙醇找那个的至少一种以生成碳酸盐，和循环反应物，例如卤化氢。循环反应物可作为一输入返回供给所述第二区。通过共同生产产物和避免碳酰氯的生成，本公开的系统和方法降低了高毒性和危险化学品的风险。如果形成了碳酰氯，将按要求处理并位于一个由电化学系统尺寸精确决定的比例，因此减少了与碳酰氯生产的相关危险。循环反应物的循环，例如HCl，有利于降低整个过程的能量需要，为二氧化碳还原为CO提供氢源，并且排除处理极强酸HCl的需要。

[0019] 在公开的另一个实施例中，在碳酰氯与附加反应物的反应之前，系统和方法可用于在电化学电池的第二区生产。在另一个公开的实施例中，系统和方法被用于在电化学电池的第二区产生碳酰氯。产生的碳酰氯从第二区中提取得到，并且提取的碳酰氯可以通过随后用于储存和/或其他设备消耗和/或过程的端口。可以预见的是，电化学系统的性质允许应用于无需任何多余反应的碳酰氯需求量的生产和控制。

[0020] 在详细解释本公开的任何实施方案之前，应该理解为下述的实施方案不能限制接下来的权利要求的范围。不同的实施例能够以不同的方式实行或执行。同样的，也应该理解为这里使用的措辞和术语是为了说明的目的而不应该被认为是限制。术语的应用，例如“包含”、“由…组成”或“具有”以及各种变化都意味着包含其后列出来的内容以及其中同附加项一样的等价物。进一步的，除非有其它说明，技术术语按照传统用法使用。

[0021] 参考图1，按照本公开实施例所示的系统100的框图。系统（或设备）100总体包括电化学电池（也被称为容器，电解器，或者电池）102，二氧化碳源106，反应器108，第一产物提取器110和第一产物例如一氧化碳113，第二产物提取器112，第二产物例如卤素115，以及能量源114。

[0022] 电化学电池102可作为分离电池使用。分离电池可以是分离的电化学电池和/或分离的光电化学电池。电化学电池102包括第一区116和第二区118。第一区116和第二区118可指一个隔间、部分或者总体未封闭的空间，以及不脱离本公开范围和意图的类似物。第一区116可包括阴极122。第二区118可包括阳极124。第一区116可包括阴极电解液，该阴极电解液包括溶解于阴极电解液的二氧化碳。第二区118包括阳极电解液，该阳极电解液包括循环反应物。能量源114能够在阳极124和阴极122之间产生电势。该电势可以是DC电压。能量源
114可配置用于为电化学电池102提供一个可变电压或者恒定电流。分离器120可选择性控制第一区116和第二区118之间的离子流。分离器120可包括离子导电膜或者隔膜材料。

[0023] 电化学电池102一般用于将第一区116内的二氧化碳还原为第一产物，例如可自第一区116回收的一氧化碳113，同时产生第二产物，例如可自第二区118回收的卤素115。二氧化碳源106可提供二氧化碳至电化学电池102的第一区116。在一些实施例中，二氧化碳可直接被引入含有阴极122的区116。可以预见的是，二氧化碳源106可包括混合气体源，其中，二氧化碳已从气体混合物中被过滤。

[0024] 第一产物提取器110可以实现有机产物和/或无机产物的提取。第一产物提取器110一般用于从第一区116中提取（分离）第一产物，例如一氧化碳113。提取的一氧化碳可通过随后用于其它装置和/或过程的储存和/或消耗的系统100的端口。

[0025] 发生在第二区118的反应的阳极侧可包括提供给第二区118的循环反应物117。重获于第二区118的第二产物可以是卤素115。循环反应物117可包括卤素，例如HCl，或者作为反应器108副产物的卤化物。例如，循环反应物可包括AX，其中，A可以是H，Li，Na，K，Cs，Mg，Ca，或者其他金属，或者R4P+，R4N+，这里R可以是独立的烷基或芳基，或者阳离子；以及X是F，Cl，Br，I，或者阴离子；以及其混合物。例子如下表。

[0026]供给阳极的化学品 氧化产物
卤化物（F-，Cl-，Br-，I-） 卤素（F2，Cl2，Br2，I2）
卤化氢（HF，HCl，HBr，HI） 卤素（F2，Cl2，Br2，I2）

[0027] 表1

[0028] 第二产物提取器112能够提取第二产物，例如提取来自第二区118的卤素115。提取的第二产物可通过随后用于其他装置和/或过程储存和/或消耗的系统100的端口。可以预见的是第一产物提取器110和/或第二产物提取器112应用于电化学电池102，或者远离电化学电池102。此外，可以预见的是，第一产物提取器110和/或第二产物提取器112可应用于多种机制并且提供所需的不脱离本公开的范围和意图的分离方法，例如分馏或分子筛干燥。

[0029] 一氧化碳113和卤素115可在另一反应器中呈现，例如反应器108，以及附加反应物126。可以预见的是一氧化碳113和卤素115干燥至含水量以重量计为0.10%的程度，含水量优选低于0.01%（100ppm，按重量计）或者在一氧化碳和卤素气体中更少的含水量以提高反应器108的反应产率。附加反应物126可包括胺、甲胺、丁胺、苯胺、联胺、二氨基甲苯、二氨基苯、4,4′-亚甲基联苯二胺、己二胺、间四甲基苯二甲胺和甲苯二胺，或醇、甲醇、乙醇和其混合物中的至少一种。反应器108可以产生副产物，例如循环反应物117和产物119。产物119可取决于附加反应物126的类型并可包括异氰酸酯，异氰酸甲酯，异氰酸丁酯，异氰酸苯酯，二异氰酸酯，亚甲基二苯基异氰酸酯，苯基二异氰酸酯，六亚甲基二异氰酸酯，甲苯二异氰酸酯，间四亚甲基二甲苯二异氰酸酯，碳酸烷基酯，碳酸二甲酯，碳酸甲乙酯或碳酸二乙酯。

[0030] 循环反应物117可循环返回至第二区118作为电化学电池102的第二区118的输入供给。循环反应物117可作为纯无水气相或在液相中循环循环至电化学电池102的第二区118。为了减少能量需求，气相一般更优。当一氧化碳113由二氧化碳在第一区116产生时，氯或类似的卤素从而被回收。作为供给应用于生产一氧化碳的二氧化碳的使用是有利的，其中的二氧化碳存储和处理是安全的并且不需要大的、从天然气中生产一氧化碳普遍需要的蒸汽重整基础设施。

[0031] 可以预见的是，附加循环反应物源在不脱离本公开范围和意图的情况下，可作为输入供给进一步供应电化学电池102的第二区118。

[0032] 经过第一产物和第二产物的联合生产，例如一氧化碳113和卤素115，生产第一产物和第二产物中的任一种所需的总能量能够降低50%甚至更多。此外，电化学电池102能够用于同时生产两种或更多具有更高选择性的产物。

[0033] 循环反应物的氧化，例如卤化氢，产生质子和电子用于还原二氧化碳。发生在阴极的反应将发生在溶剂中，溶剂中可包含水、甲醇、乙腈、碳酸丙烯酯、离子性液体，或二氧化碳能溶解于其中的溶剂。只要在气体流中含有水蒸气，反应还可以发生在气相中。阳极反应可发生在气相中，例如在气相反应物，例如卤化氢存在的情况下。阳极反应还可发生在液相中，例如卤化氢在溶液中的情况下。

[0034] 在一个优选的实施例中，可产生异氰酸酯，例如二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）或甲苯二异氰酸酯（TDI），随着HCl的副产物循环反应物117形成再循环至电化学电池102的第二区118的异氰酸酯，在一氧化碳和氯气演变过程中能够得到再次利用。分离步骤用于干燥一氧化碳气体流并将未反应的HCl从氯气中分离出来。

[0035] 作为循环反应物117的一个实施例，HCl可以是进入电化学电池102的第二区118的原料。循环反应物117在阳极循环回路的泵中进行循环，在循环回路中，HCl转化为气态或液态氯气，氢离子穿过分离器120进入第一区116。

[0036] 在本例中的阴极侧，二氧化碳在高表面积的阴极上发生反应生成一氧化碳。循环泵可用于提供大量转质以实现转变为一氧化碳的高电解效率。

[0037] 电化学电池102可以在大于3kA/m2（300 mA/cm2）的电流密度下运行，或者在0.5-5kA/m2的合适范围内或者所需的更高电流密度的情况下。从HCl形成的氯的电流密度甚至在更高的电流密度条件下运行。电化学电池102可以是在第一区116和第二区118中的液相，或者在优选的实施例中，可以使在第一区116和含有气相的第二区118中的液相，在第二区
118中，气相HCl直接添加入第二区118的阳极电解液中。

[0038] 在电流密度为1 kA/m2的电化学电池102的运行电压预计在1.0-2.5V之间，因为阳极电解液反应的半电池电压预计在0.6-1.2V之间。相比之下，运行在1 kA/m2条件下，采用形成了氧气的1 M硫磺酸阳极电解液的类似电池电压很可能在2.0V-4V之间。

[0039] 在液体阳极电解液的例子中，HCl阳极电解液的浓度可能处于5 wt%-50 wt%范围内，更优选的处于10 wt%-40 wt%范围内，以及更优选的是在15 wt%-30 wt%范围内，以及一个在溶液相中相应的2-30 wt%的氯含量。阳极电解溶液中HCl的含量会影响阳极电解溶液的导电率，并且因此第二区118 IR电压下降。如果阳极在气相HCl条件下运行，HCl浓度可能会接近100%，以重量百分比计，并且在水溶液条件下运行。

[0040] 阳极优选具有结合碳电流分配器阳极的聚合物，并且可使用一个比表面积为50 cm2/cm3或更多的碳毡，使其填充阴极背极和膜之间的间隙，这样形成一个零间隙阳极。碳毡可以是电的并且通过一个碳导电粘接剂物理的连接于碳电流分配器阳极。金属和/或金属氧化催化剂可以加入到阳极中以降低阳极电势和/或升高操作阳极电流密度。使用RuO2催化剂即是一个这样的例子。

[0041] 阴极为一些高表面积材料以包括铜和铜合金、青铜和其合金、不锈钢、碳，和硅，它们被导电金属或半导体材料层涂覆。很薄的塑料网与膜的阴极侧相比可以被用于阻止膜接触高表面积阴极结构。高表面积阴极结构机械的压在阴极电流分配器背极上，它可能由具有相同表面组分例如高表面积阴极的材料组成。

[0042] 阳极电解电流效率优选为90-100%，并且醋酸电解电流效率优选为25-100%之间。阳极电解液和阴极电解液的流循环能够为反应提供足够的流动。

[0043] 参考图2，本公开另一实施例的系统框图。系统200可包括用于第一产物和第二产物联合生产操作的电化学电池102，例如一氧化碳113和作为中间产物用于产物228生产的卤素115，例如丙烯酸或者丙烯酸酯。在本公开的有利方面，丙烯酸或丙烯酸酯通过无碳酰氯电化学过程生产。此外，丙烯酸或丙烯酸酯的前体共同产自电化学电池102。

[0044] 卤素115可存在于另一个反应器，例如反应器208，伴随着附加反应物，例如烷烃204。烷烃204可以是乙烷。反应器208可以产生副产物，例如循环反应物117和二卤代烷烃
210，例如二卤代乙烷。循环反应物117，例如HCl可作为电化学电池102第二区118的进料返回第二区118。二卤代烷烃210可存在于脱卤化氢反应器212。脱卤化氢反应器212可将执行脱卤化氢反应以生产包括附加循环反应物117和乙炔216在内的产物。附加循环反应物117，例如HCl，能够作为电化学电池102第二区118的进料循环至第二区118。

[0045] 在反应器220内，乙炔216可与来自第一区的二氧化碳的水和/或醇共同产生的一氧化碳113反应。反应器220可生产产物228。产物228可包括丙烯酸或丙烯酸酯。

[0046] 参考图3，本公开另一实施例系统300的框图。在生产产物的这一替代实施例中，例如异氰酸酯或碳酸烷基酯，碳酰氯能够完全在电化学电池102内产生。系统300可包括用于操作第一产物和第二产物的共同生产的电化学电池102，例如一氧化碳113和作为用于生产产物319的中间产物碳酰氯313。一氧化碳113作为附加进料提供给第二区118。

[0047] 碳酰氯313可在反应器308内与附加反应物326反应以产生循环反应物117和产物319的副产物。循环反应物117，例如HCl，可作为电化学电池102第二区118的进料循环回第二区118。附加反应物326可包括胺、甲胺、丁胺、苯胺、联胺、二氨基甲苯、二氨基苯、4,4′-亚甲基联苯二胺、己二胺、间四甲基苯二甲胺和甲苯二胺，或醇、甲醇、乙醇和其混合物中的至少一种。产物319可取决于附加反应物326的类型，并且可包括异氰酸酯，异氰酸甲酯，异氰酸丁酯，异氰酸苯酯，二异氰酸酯，甲苯二异氰酸酯，间四亚甲基二甲苯二异氰酸酯，碳酸烷基酯，碳酸二甲酯，碳酸甲乙酯或碳酸二乙酯。

[0048] 在一个实施例中，一氧化碳113经过干燥后与循环反应物117，例如无水HCl，一起进入第二区118。无水HCl和一氧化碳可在第二区反应形成碳酰氯313。

[0049] 参考图4-6，分别为显示图1-3中系统100，200和300替代实施例的系统400，500和600的框图。具体参考图4，电化学电池102的第一区116可产生第一产物H2 410，它在可进行反向水煤气变换反应的反应器430中与二氧化碳432结合。通过反应器430实施的反向水煤气变换反应可产生水434和一氧化碳436。一氧化碳436作为进料被投入反应器438中。

[0050] 第二区118可联合产生被供给至反应器408的卤素115。可以预见的是一氧化碳113和卤素115被干燥至含水量以重量计为0.10%的程度，最好小于0.01%的含水量（100ppm，以重量计）或者在一氧化碳和卤素气体中更少的含水量以促进反应器408中的反应。反应器408可使一氧化碳113、卤素115和附加反应物426发生相互反应。附加反应物126可包括胺、甲胺、丁胺、苯胺、联胺、二氨基甲苯、二氨基苯、4,4′-亚甲基联苯二胺、己二胺、间四甲基苯二甲胺和甲苯二胺，或醇、甲醇、乙醇和其混合物中的至少一种。反应器408可生产副产物，例如一种循环反应物和产物419。产物419取决于附加反应物426的类型并且可包括异氰酸酯，异氰酸甲酯，异氰酸丁酯，异氰酸苯酯，二异氰酸酯，甲苯二异氰酸酯，间四亚甲基二甲苯二异氰酸酯，碳酸烷基酯，碳酸二甲酯，碳酸甲乙酯或碳酸二乙酯。

[0051] 具体参考图5，电化学电池102的第一区116可生产第一产物H2 410，其在可进行反向水煤气变换反应的反应器430中与二氧化碳432结合。在反应器430中进行的反向水煤气变换反应可产生水434和一氧化碳436。一氧化碳436作为进料被送到反应器536。

[0052] 电化学电池102的第二区118可联合生产供给给反应器408的卤素115。卤素115被送到反应器508，伴随一种附加反应物，例如一种烷烃526。烷烃526可以是乙烷。反应器508可产生副产物，例如可循环反应物117和二卤代烷烃530，例如二卤代乙烷。可循环反应物117，例如HCl可作为电化学电池102第二区118的进料循环回第二区118。二卤代烷烃530可被送到脱卤化氢反应器532。脱卤化氢反应器532可进行脱卤化氢反应以生产包括附加循环反应物117和乙炔534在内的产物。附加循环反应物117，例如HCl，可作为电化学电池102第二区118的进料返回第二区118。

[0053] 乙炔534可与经由反应器430反向水煤气变换反应生成的一氧化碳进行反应。反应器536可生产产物538。产物538可包括丙烯酸或丙烯酸酯。

[0054] 具体参考图6，电化学电池102的第一区116可产生第一产物H2 410，它在可进行反向水煤气变换反应的反应器430中与二氧化碳432结合。通过反应器430实施的反向水煤气变换反应可产生水434和一氧化碳436。一氧化碳436作为进料被投入电化学电池102的第二区118中。

[0055] 电化学电池102的第二区118可联合生产碳酰氯313。碳酰氯在反应器608中与附加反应物626进行反应并生成循环反应物117和产物619的副产物。循环反应物117，例如HCl，可作为电化学电池102第二区118的进料循环至第二区118。附加反应物626可包括胺、甲胺、丁胺、苯胺、联胺、二氨基甲苯、二氨基苯、4,4′-亚甲基联苯二胺、己二胺、间四甲基苯二甲胺和甲苯二胺，或醇、甲醇、乙醇和其混合物中的至少一种。产物619取决于附加反应物626的类型并且可包括异氰酸酯，异氰酸甲酯，异氰酸丁酯，异氰酸苯酯，二异氰酸酯，甲苯二异氰酸酯，间四亚甲基二甲苯二异氰酸酯，碳酸烷基酯，碳酸二甲酯，碳酸甲乙酯或碳酸二乙酯。

[0056] 可以预见的是接收进料包括用于接收产物供应的不同机制，无论是连续的，近乎连续的或者分批次处理部分。

[0057] 进一步可以预见的是，电化学电池102的结构和运行可进行相应调整以获得想要的结果。例如，电化学电池102能够在高压条件下运行，例如压力高于大气压可提高电流效率并且在较高电流密度条件下允许电化学电池的运行。

[0058] 此外，阴极122和阳极124可包括具有空隙容积的高表面积电极结构，空隙容积在30%-98%范围内。电极空隙容积百分比可以指电极不占用电极总容积空间的真空百分比。使用高空隙容积电极的优势在于该结构在流体流经结构式具有较低的电压降低。电极座结构的比表面积在2 cm2/cm3-500 cm2/cm3或者更高。电极比表面积是基电极结构表面积与整个电极的总物理容积的比值。可以预见的是，与电流分配器/导体板的投影几何面积相比，表面积可被定义电极基板的总面积，具有一个2x-1000x或更高的优选范围。电极结构的实际总活性表面积是一个沉积在物理电极结构上的电极催化剂性质的函数，所述物理电极结构的表面积是物理电极基础结构表面积的2-1000倍。

[0059] 阴极122可选自于一些高表面积材料包括铜和铜合金、不锈钢、过渡金属和它们的合金、碳和硅，它们表面被导电金属或半导体层涂覆。阴极122基础结构以来自于金属、碳、或其它导电材料包括聚合物的纤维、网状，或烧结粉末材料形式存在。这些材料可以是插入膜的阴极侧的很薄的塑料网，以阻止膜120直接接触高表面积阴极结构。该高表面积阴极结构机械的压在阴极电流分配器背板上，它由含有相同表面组分的材料组成，这一相同表面组分可作为高表面积阴极。

[0060] 此外，阴极122可以是一合适的导电电极，例如Al，Au，Ag，Bi，C，Cd，Co，Cr，Cu，Cu合金（例如，黄铜和青铜），Ga，Hg，In，Mo，Nb，Ni，Ni Co2O4，Ni合金（例如Ni 625，NiHX），Ni-Fe合金，Pb，Pd合金（例如PdAg），Pt，Pt合金（例如，PtRh），Rh，Sn，Sn合金（例如SnAg，SnPb，SnSb），Ti，V，W，Zn，不锈钢（SS）（例如SS 2205，SS 304，SS 316，SS 321），奥氏体钢，铁素体钢，二联钢，马氏体钢，镍铬合金（例如，NiCr 60:16（含铁）），埃尔吉洛伊非磁性合金（例如，Co-Ni-Cr），退化掺杂p-Si，退化掺杂p-Si：As，退化掺杂p-Si：B，退化掺杂n-Si，退化掺杂n-Si：As和退化掺杂n-Si：B。其它被应用的导电电极需满足特定应用的标准。对于光电化学还原，阴极122可以是p-型半导体电极，例如p-GaAs，p-GaP，p-InN，p-InP，p-CdTe，p-GaInP2和p-Si，或一种n-型半导体，例如n- GaAs，n-GaP，n-InN，n-InP，n-CdTe，n-GaInP2和n-Si。其它被应用的半导体电极需满足特殊应用的标准，所述特定应用包括但不限于CoS，MoS2，TiB，WS2，SnS，Ag2S，CoP2，Fe3P，Mn3P2，MoP，Ni2Si，MoSi2，WSi2，CoSi2，Ti4O7，SnO2，GaAs，GaSb，Ge和CdSe。

[0061] 阴极电解液的pH在1-12范围内，优选pH范围为4-10。选定的操作pH值是应用于电化学电池102运行的任何催化剂的函数。优选的，阴极电解液和催化剂可被选择用于阻止电化学电池102的腐蚀。阴极电解液可以包括均相催化剂。均相催化剂被定义为芳香杂环胺并可以包括但不限于未被取代和被取代的吡啶类和咪唑类。被取代的吡啶类和咪唑类可包括但不限于单取代和双取代吡啶类和咪唑类。例如，合适的催化剂可包括直链或支链低烷基（例如，Cl-C10）单取代和双取代化合物，例如2-甲基吡啶，4-叔丁基吡啶，2,6二甲基吡啶（2,6-卢剔啶）；二吡啶类，例如4-4′-二吡啶；氨基-取代吡啶类，例如4-二甲基氨基吡啶；和羟基-取代吡啶类（例如，4-羟基-吡啶）和取代或未取代的喹啉或异喹啉类。催化剂可适当的包括取代或未取代的二氮杂环胺类，例如吡嗪，哒嗪和嘧啶。其它催化剂一般包括恶唑类，咪唑类，吲哚类，恶唑类，噻唑类，取代种类和复杂的多环胺类，例如腺嘌呤，蝶呤，蝶啶，苯并咪唑，邻二氮杂菲等。

[0062] 阴极电解液可包括一电极。阴极电解质可包括碱金属重碳酸盐，碳酸盐，硫酸盐，磷酸盐，硼酸盐，和氢氧化物。该电解质可包括以下中的一种或多种：Na2SO4，KCl，NaNO3，NaCl，NaF，NaClO4，KClO4，K2SiO3，CaCl2，胍阳离子，H阳离子，碱金属阳离子，铵阳离子，烷基铵阳离子，季铵盐阳离子，卤素阴离子，烷基铵，硼酸盐，碳酸盐，胍衍生物，亚硝酸盐，硝酸盐，磷酸盐，多磷酸盐，高氯酸盐，硅酸盐，硫酸盐，氢氧化物。在一个实施例中，优选溴化盐，例如NaBr或者KBr。

[0063] 阴极电解液可以进一步包括水的或非水溶剂。水溶剂可以包括大于5%的水。非水溶剂可以包括多达5%水。溶剂可以包含以下中的一种或多种：水，质子溶剂，或非质子极性溶剂。代表性的溶剂包括甲醇，乙醇，乙腈，碳酸丙烯酯，碳酸乙烯酯，碳酸二甲酯，碳酸二乙酯，二甲亚砜，二甲基甲酰胺，乙腈，丙酮，四氢呋喃，N,N-二甲基乙酰胺，乙二醇二甲醚，二甘醇二甲酯，丁腈，1,2-二氟苯，γ-丁内酯，N-甲基-2-吡咯烷酮，噻吩烷，1,4-二氧杂环乙烷，硝基苯，硝基甲烷，无水醋酸，离子性液体，以及它们的混合物。

[0064] 在一个实施例中，阴极电解液/阳极电解液流动速率可以包括阴极电解液/阳极电解液穿过部分面积的流量范围,例如2-3000 gpm/ft2或者更多（0.0076-11.36m3/m2）。流速范围可以是0.002-20 ft/秒（0.0006-6.1米/秒）。在一个较高操作压力下运行的电化学电池阴极电解液允许将更多的溶解的二氧化碳溶于水溶液中。代表性的，在多电池堆设计中，电化学电池能够在压力上升至约20-30 psig时运行，尽管存在变化，但是，电化学电池可在上升至100 psig情况下运行。电化学电池可以在相同压力范围内操作阳极电解液从而降低分离器120或运行在两区域之间的膜的不同的压力。特殊的电化学设计能够在较高的操作压力升至大约60-100大气压或更高的情况下被用于操作电化学单元，这一操作是在液态二氧化碳中和超临界二氧化碳操作范围内进行的。

[0065] 在另外一个实施例中，部分阴极电解液循环流能够利用背压的流量限制或者利用一个截留有二氧化碳的泵分别进行增压，这样加压流随即被注入电化学电池的阴极电解液区，电化学电池可能增加水溶液中二氧化碳的溶解量从而提高转化率。此外，在电解液循环流中，二氧化碳微气泡的产生通过不同方式实现从而增加溶液中二氧化碳的溶解性。

[0066] 阴极电解液能够在温度范围为-10-95℃条件下作用，更加优选的温度为5-60℃。阴极电解液的使用和它们的凝固温度受到低温的限制。一般而言，温度越低，二氧化碳在阴极电解液的水相溶液中的溶解度越高，这对于获得较高的转化率和电流效率是很有帮助的。缺点就是操作电化学电池电压可能会较高，因此，存在能够被运用的优选组合从而以最低的运行成本进行化学药品的生产。此外，阴极电解液可能需要冷却，因此需要使用一个外部热量交换器，经由热量交换器的流动部分，或者全部的阴极电解液，以及使用冷却水除去热量并且控制阴极电解液的温度。

[0067] 阳极电解液的运行温度可以与阴极电解液的温度处于相同的范围内，并且可以在温度为0℃-95℃的范围内。此外，阳极电解液可能也需要冷却，因此需要使用一个外部热量交换器，经由热量交换器的流动部分，或者全部的阳极电解液，以及使用冷却水除去热量并且控制阳极电解液的温度。

[0068] 电化学电池可以包括不同类型的设计。这些设计可以包括有限的零间隙设计或者电极和膜之间的零间隙，利用各种各样的高表面积阴极材料的再循环阴极电解质的流动和流通设计。 电化学电池可以包括大量并流并且充满对流，和设计有各种高表面积阴极材料的喷淋床。并且，双极叠层电池设计和高压电池设计可以被运用于电化学电池。

[0069] 阳极电极可以与阴极电极相同或者不同。阳极124可以包括应用在基础阳极结构表面的电催化涂层。阳极电解液可以与阴极电解液相同或者不同。阳极电解液可以包括溶剂。阳极电解液溶剂可以与阴极电解液溶剂相同或者不同。例如，HBr，阳极电解液酸，以及产生氧气的氧化水，优选的电催化涂层可以包括贵金属氧化物，例如钌和铱的氧化物，以及钯，铂和金，以及它们作为金属和氧化物与阀金属基板，例如钛，钽，锆，铌上。对于溴和碘的阳极化学，碳和石墨是特别适用于作为阳极的。聚合物键合的碳材料也可以使用。对于其它的阳极电解液，包括碱性的，氢氧化物电解质，阳极可包括碳，钴氧化物，不锈钢，过渡金属，以及它们的合金和结合物。高表面积阳极结构可以被应用，它将有助于促进阳极表面的反应。高表面积阳极基板材料能够以纤维，烧结粉末，泡沫金属，烧结网以及类似的网状形式存在，并且能够被烧结，焊接或机械性连接至普遍用于双极电池组件的电流分配器背板。此外，高表面积的网状阳极结构可以包括一些区域，外加催化剂在这一区域，以及接近阳极表面结构的电催化活性表面也在这一区域，从而增强和促进反应的发生，这些反应发生在远离阳极表面的本体溶液中，例如溴和被引入阳极电解液中的碳基反应物之间的反应。阳极结构可以顺次排列，以致于可能密度会在垂直或水平方向发生变化，从而允许气体更容易的从阳极结构中逃离。在这一等级中，可能存在混合在阳极结构中的材料粒子的分布，阳极结构可能包括催化剂，例如金属卤化物或者金属氧化物催化剂，例如卤化铁，卤化锌，卤化铝，卤化钴，用于溴和碳基反应物之间的反应。对于其它的阳极电解液包括碱，或者氢氧化物电解质，阳极可以包括碳，氧化钴，不锈钢，以及它们的合金和结合物。

[0070] 分离器120，也称为膜，位于第一区116和第二区118之间，可以包括阳离子交换型膜。可以优选对于阴离子具有高抑制效率的阳离子交换型膜。这样的阳离子交换膜的例子可以包括基于离子交换膜的全氟化磺酸，例如DuPont Nafion®品牌的N117和N120的未加强类型系列，更优选的PTFE纤维N324和N424的加强类型，以及相似的由例如商标名称Flemion®的供应商名字如AGC工程（朝日玻璃）的日本公司生产制造的膜。其它的应用在氯碱工业的多层全氟离子交换膜可能具有一个基于膜层的碳酸结合到基于膜层的磺酸的双层构建，这样能够有效的操作pH值为2或者更高的阳极电解液和阴极电解液。这些膜可以具有一个更高的阴离子抑制效率。它们以它们的Nafion®作为N900系列的商标由DuPont公司出售，例如N90209，N966，N982，以及2000系列，例如N2012，N2020，N2030以及它们所有的类型和子类型。如果没有获得理想的阴离子抑制，由不同阳离子交换材料制成的基于碳氢化合物的膜也可以使用，例如以Ionac®为商标由Sybron出售的那些膜，以Selemion®作为它们商标的贸易名称为AGC工程（朝日玻璃）的工程（朝日玻璃），以及Tokuyama Soda公司，和市场上的其他公司。陶瓷基膜也可以使用，包括以通用名称NASICON（钠超离子导体）被命名的那些，它们在应用于不同化学反应和选择性运输钠离子的较宽的pH范围内具有稳定的化学性质，组分是Na1+xZr2SixP3-xO12，并且与其他的基于氧化钛，氧化锆和氧化钇以及β-氧化铝的陶瓷基导电膜一样。可以使用的选择性膜是那些具有不同结构骨架，例如聚磷腈和磺酸聚磷腈膜，除了基于冠醚的膜之外。优选的，膜或者分离器对于阳极电解液和阴极电解液是具有化学抗性的，并且在小于600℃的温度下使用，并且更优选的温度为小于500℃.

[0071] 在阳极反应的阳极电解液组分中形成的反应物的生成率，例如盐酸氧化生成氯，预计与电化学电池102使用的电流成正比。碳基反应物进入阳极电解液区118的输入或者进料率，例如一氧化碳，应该按比例供给生成的反应物。碳基反应物与生成的阳极反应物的摩尔比例可以在100:1到1:10的范围内，更加优选的是50:1到1:5的范围内。在这一范围内的阳极电解液产物输出可以是输出流包括在产物输出至第二产物提取器112的过程存在很少或不存在游离氯，或者它可以包括未反应的氯。提取器112的操作以及选定的分离步骤，例如分馏，实际产物的生产，以及想要的反应的选择性，将决定碳基反应物和在阳极室生成的反应物的最佳摩尔比。未反应的任何组分都能够再循环至第二区118。

[0072] 同样的，生成的电化学二氧化碳还原产物，例如一氧化碳，其生成率预计与电化学电池102所使用的电流成正比。二氧化碳源106进入第一区116的进入或供给率应该与施加的电流成比例。阴极反应效率将决定二氧化碳还原产物的最大理论摩尔生成。可以预见的是提供给可能形成的二氧化碳还原产物的二氧化碳的比例在100:1-2:1的范围内，并且优选范围为50:1-5:1，对于阴极反应二氧化碳的理论需求是过量的。过量的二氧化碳被提取器110分离并且循环返回第一区116。

[0073] 在本公开中，公开的方法作为操作指南或者装置可读软件的一部分被实施。进而，可以理解的是，具体的顺序或者公开方法中步骤的层次结构是示例性方法的例子。基于设计参数选择，可以理解的是，当存在在公开的主题中时，具体的顺序或者方法中步骤的层次结构可以被重排。所附的方法权利要求在示例顺序中不同步骤的现有原理并不意味着是对具体顺序或者现有层次的限定。

[0074] 可以相信的是，本公开以及伴随它的许多优点可根据前面的描述进行理解，并且在不脱离公开的主题或不牺牲所有的实质优势条件下所作出的组件形式、结构和布置上的各种改变是显而易见的。上述形式仅仅是它的一个解释性的实施例，权利要求的目的包含或包括这些变化。