CN114599443A - 路易斯酸气体的电化学捕获 - Google Patents
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Abstract
总体上描述了与从流体混合物中进行路易斯酸气体的电化学捕获有关的方法、设备和系统。某些实施方案涉及包括从包含多种类型的路易斯酸气体(例如，第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体)的流体混合物中选择性地除去第一路易斯酸气体的电化学方法。某些实施方案涉及包含某些类型的具有某些氧化还原态的电活性物质的电化学系统，在所述某些氧化还原态下，所述物质能够结合第一路易斯酸气体，但针对所述某些氧化还原态，与第二路易斯酸气体的结合在热力学上和/或动力学上是不利的。本文所述的方法、设备和系统可以用于碳捕获和减轻污染的应用。
Description
相关申请
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2019年8月28日提交的标题为“Electrochemically Mediated Acid Gas Removal and Concentration”的美国临时申请第62/892,975号，以及2020年3月12日提交的标题为“Electrochemical Capture of LewisAcid Gases”的美国临时申请第62/988,851号的优先权，出于所有目的，其各自通过引用整体并入本文。
技术领域
总体上描述了与从流体混合物中进行路易斯酸气体的电化学捕获有关的方法、设备、和系统。
背景技术
致力于从流体混合物中除去或分离气体。例如，在过去的二十年中，一直致力于通过抑制人为的二氧化碳(CO2)排放来缓解全球变暖。已经进行了许多方法，例如常规的热方法以在其生产的不同阶段处理二氧化碳捕获：在发电厂燃烧后捕获，或从大气中将其浓缩，然后将其加压并储存在地质构造中，或者将其转化为商业上有用的化学化合物。一种替代方法是使用电活性物质进行气体的电化学捕获。然而，在包含多种不同类型的气体(例如，多种类型的路易斯酸气体)的流体混合物中除去或分离某些气体(例如，二氧化碳)可存在挑战。
期望改进的设备、方法和/或系统。
发明内容
总体上描述了与从流体混合物中进行路易斯酸气体的电化学捕获有关的方法、设备和系统。某些实施方案涉及包括从包含多种类型的路易斯酸气体(例如，第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体)的流体混合物中选择性地除去第一路易斯酸气体的电化学方法。一些实施方案涉及这样的方法：所述方法包括通过使第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体与一种或更多种还原的电活性物质键合来选择性地除去路易斯酸气体，随后从所得复合物中选择性地释放第二路易斯酸气体，同时从所述复合物中相对少地释放或不释放第一路易斯酸气体。某些实施方案涉及包含某些类型的具有某些氧化还原态的电活性物质的电化学系统，在所述某些氧化还原态下，所述物质能够结合第一路易斯酸气体，但针对所述某些氧化还原态，与第二路易斯酸气体的结合在热力学上和/或动力学上是不利的。本文所述的方法、设备和系统可以用于碳捕获和减轻污染的应用。在一些情况下，本发明的主题涉及相关联的产品、特定问题的替代解决方案和/或一个或更多个系统和/或物品的多种不同用途。
在一方面中，描述了方法。在一些实施方案中，该方法包括跨越电化学电池施加电势差，将包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的流体混合物暴露于电化学电池，以及在施加电势差期间和/或之后从流体混合物中除去一定量的第一路易斯酸气体，其中该方法包括从流体混合物中基本上不除去或除去按摩尔百分比计小于或等于10％的存在于流体混合物中的第二路易斯酸气体。
在一些实施方案中，方法包括将包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的流体混合物暴露于处于还原态的一种或更多种电活性物质；使一定量的第一路易斯酸气体与第一部分的处于还原态的一种或更多种电活性物质键合以形成第一路易斯酸气体-电活性物质复合物；使一定量的第二路易斯酸气体与第二部分的处于还原态的一种或更多种电活性物质键合以形成第二路易斯酸气体-电活性物质复合物；以及使至少一些第二路易斯酸气体-电活性物质复合物氧化，以使一定量的第二路易斯酸气体从第二路易斯酸气体-电活性物质复合物中释放，而同时使第一路易斯酸气体基本上不从第一路易斯酸气体-电活性物质复合物中释放或使按摩尔百分比计为第一路易斯酸气体-电活性物质复合物的小于或等于10％的量的第一路易斯酸气体从第一路易斯酸气体-电活性物质复合物中释放。
在另一方面，描述了电化学设备。在一些实施方案中，电化学设备包括腔室，所述腔室包括与电活性物质电连通的负电极，所述腔室被构造成接收流体混合物，其中，在至少一种传导介质(conductive medium)中，电活性物质具有氧化态和至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在至少一个温度下与第二路易斯酸气体的反应在热力学上和/或动力学上是不利的，所述第二路易斯酸气体包含选自二氧化碳、氮氧化物、R3B、或R2S中的一种或更多种物质，其中每个R独立地为H、支化或未支化的C1至C8烷基、芳基、环基、杂芳基、或杂环基。在一些实施方案中，电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在大于或等于223K且小于或等于573K的至少一个温度下与第二路易斯酸气体的反应在热力学上和/或动力学上是不利的，所述第二路易斯酸气体包含选自二氧化碳、氮氧化物、硼烷、或硫化氢(H2S)的一种或更多种物质。
当结合附图考虑时，本发明的其他优点和新特征将从以下对本发明的多种非限制性实施方案的详细描述中变得显而易见。在本说明书和通过引用并入的文件包括冲突和/或不一致的公开内容的情况下，应以本说明书为准。
附图说明
将参考附图以实例的方式描述本发明的一些非限制性实施方案，这些附图是示意性的并且不旨在按比例绘制。在图中，所示出的每个相同或几乎相同的组件通常由单一数字表示。为清楚起见，在不需要图解来使本领域普通技术人员理解本发明的情况下，并非每个组件都在每幅图中都标明，也不是本发明的每个实施方案的每个组件都示出。在图中：
附图与下文描述一致。
图1A至1B是根据一个或更多个实施方案的用于从包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的流体混合物中除去第一路易斯酸气体的示例性过程的示意图；
图2是根据一个或更多个实施方案的电化学设备的截面示意图，所述电化学设备包括负电极和被构造成接收流体混合物的腔室；
图3是根据一个或更多个实施方案的用于从包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的流体混合物中除去第一路易斯酸气体的示例性过程的示意图；
图4是根据一个或更多个实施方案的包括第一电化学电池和第二电化学电池的流动设备的截面示意图；
图5示出了根据一个或更多个实施方案的包括负电极、正电极、和隔离件的示例性电化学电池的侧视示意图；
图6示出了根据一个或更多个实施方案的示例性电化学电池的分解示意图；
图7A示出了根据一个或更多个实施方案的进行气体分离过程的示例性系统的示意图；
图7B示出了根据一个或更多个实施方案的进行气体分离过程的包括流场的示例性系统的示意图；
图7C至7E示出了根据一个或更多个实施方案的示例性流场通道图案的侧视示意图；
图8A示出了根据一个或更多个实施方案的进行气体分离过程的包括复数个电化学电池的示例性系统的示意图；
图8B示出了根据一个或更多个实施方案的进行气体分离过程的示例性系统的示意图，该系统包括并联电连接的复数个电化学电池；
图8C示出了根据一个或更多个实施方案的进行气体分离过程的示例性系统的示意图，该系统包括串联电连接的复数个电化学电池；
图9示出了根据一个或更多个实施方案的进行气体分离过程的示例性系统的示意图，该系统包括串联电连接的复数个电化学电池和在电化学电池之间的一个或更多个导电材料；
图10A示出了1，4-萘醌(p-NQ，或者标记为NQ)在经N2、CO2或SO2饱和的包含0.1M四正丁基六氟磷酸铵([nBu4][PF6])的无水N，N-二甲基甲酰胺溶液中的循环伏安法；
图10B示出了2，3-二氰基-1，4-萘醌(DCNQ)在经N2、CO2或SO2饱和的包含0.1M[nBu4][PF6]的无水N，N-二甲基甲酰胺溶液中的循环伏安法；
图11A示出了在1％SO2下的DCNQ2-、NQ·-和NQ2-的热重分析(thermogravimetricanalyses，TGA)；
图11B示出了在N2中DCNQ2-、NQ·-和NQ2-的TGA分析；
图11C示出了在不同温度下NQ2-吸收SO2的TGA测量；
图11D示出了在不同温度下NQ2-对SO2吸收释放的TGA测量；
图11E示出了在不同温度下DCNQ2-吸收SO2的TGA测量；
图11F示出了在不同温度下DCNQ2-释放SO2的TGA测量；
图12A示出了在30℃下在100％CO2下用还原的DCNQ捕获CO2的TGA测量；
图12B示出了TGA测量，其表明当反应物被除去时CO2被释放；
图13A至13C示出了在还原时DCNQ的所计算的几何形状改变；
图14A示出了2，3-二氰基-1，4-萘醌(顶部)和1，4-萘醌(底部)在其各自的中性状态下的静电势(electrostatic potential，ESP)图；
图14B示出了2，3-二氰基-1，4-萘醌(顶部)和1，4-萘醌(底部)在其各自的半醌状态下的ESP图；
图14C示出了2，3-二氰基-1，4-萘醌(顶部)和1，4-萘醌(底部)在其各自的二价阴离子状态下的ESP图；
图15A至15D分别示出了CO2和SO2的所计算的几何形状和ESP图；
图16示出了根据一种或更多种实施方案的气体分离实验的示意图；和
图17A至17B示出了根据一个或更多个实施方案的物理吸附和化学吸附实验的出口气体浓度与入口气体浓度的比相对于时间的图。
具体实施方案
总体上描述了与从流体混合物中进行路易斯酸气体的电化学捕获有关的方法、设备和系统。某些实施方案涉及包括从包含多种类型的路易斯酸气体(例如，第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体(例如，二氧化碳))的流体混合物中选择性地除去第一路易斯酸气体(例如，二氧化硫)的电化学方法。一些实施方案涉及这样的方法：所述方法包括通过使第一路易斯酸气体(例如，二氧化硫)和第二路易斯酸气体(例如，二氧化碳)与一种或更多种还原的电活性物质键合来选择性地除去路易斯酸气体，随后从所得复合物中选择性地释放第二路易斯酸气体(例如，通过第二路易斯酸气体-电活性物质复合物的氧化)，同时从所述复合物中相对少地释放或不释放第一路易斯酸气体。某些实施方案涉及包含某些类型的具有某些氧化还原态的电活性物质的电化学系统，在所述某些氧化还原态下，所述物质能够结合第一路易斯酸气体，但针对所述某些氧化还原态，与第二路易斯酸气体的结合在热力学上和/或动力学上是不利的。本文所述的方法、设备和系统可以用于碳捕获和减轻污染的应用。
流体混合物中路易斯酸气体的除去和/或分离是包括工业和发电在内的许多应用中的重要过程。作为一个实例，在工业应用中，二氧化硫(SO2)排放通常通过烟气脱硫(flue-gas desulfurization，FGD)来减少，这依赖于具有较大的占用空间和大型配套设施(balance of plant)的大型吸收剂接触塔(洗涤器)。此外，存在许多其他应用，在这些应用中，可以期望除去燃烧废气或其他工业气流(其中路易斯酸气体为例如SO2)，用于避免下游过程的复杂化，或者出于其他原因例如减轻污染。例如，国际海事组织(internationalMaritime Organization，IMO)推行了于2020年1月生效的硫上限。许多船舶目前正在改进常规洗涤器，但小型船舶无法在船上容纳这样的化学设施。因此，需要紧凑且高效的路易斯酸气体捕获系统。电化学介导的气体捕获可以是一种用于捕获路易斯酸气体的途径(例如，通过可以结合目标气体的电活性物质的电化学产生的活性状态)。然而，作为复杂因素，许多流体混合物(例如，气体流出物)包含多种路易斯酸气体物质，并且可以期望选择性地除去第一路易斯酸气体同时基本上不除去或除去相对较少的其他路易斯酸气体。作为一个实例，燃烧产物通常包括二氧化碳和含硫气体例如SO2。在本公开内容的上下文中已经认识到，电化学系统中的某些现有电活性物质可以与第一路易斯酸气体和其他路易斯酸气体反应，这可能存在问题。对于被设计成从气体混合物中除去二氧化碳的碳捕获系统，二氧化硫的存在可能造成效率和生产力的问题，因为二氧化硫可与二氧化碳竞争与电活性物质的结合。在本公开内容的上下文中已经发现，相对于其他气体，某些方法和系统可以用于选择性地结合某些路易斯酸气体(例如，通过明智地选择电活性物质和/或运行条件)。
在一方面中，描述了方法。一些实施方案涉及用于在流体中进行路易斯酸气体的部分或完全的电化学除去和/或分离的方法。一些实施方案包括跨越电化学电池施加电势差并将包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的流体混合物暴露于电化学电池。图1A至1B描绘了一个这样的实施方案：其中将包含第一路易斯酸气体102和第二路易斯酸气体104的流体混合物101暴露于电化学电池100。术语“电化学电池”旨在包括满足这些标准的设备，即使电池的性能可能可论证地以比法拉第的更具赝电容性为特征时也是如此，因此其也可被称为一种类型的电容器。
跨越电化学电池施加电势差可以引起在施加电势差期间和/或之后从流体混合物中除去一定量的第一路易斯酸气体。例如，再次参考图1A至1B，在没有电势差的情况下，电化学电池100可以与处于不与第一路易斯酸气体结合的氧化态Ox的电活性物质电连通(图1A)。根据一些实施方案，跨越电化学电池100施加电势差可以将电活性物质转化为与第一路易斯酸气体102反应(例如，通过结合)的还原态R(图1B)。应该理解的是，尽管图1A至1B示出了暴露于具有处于氧化态Ox之电活性物质的电化学电池100的流体混合物101，但一些实施方案包括在将电化学电池100暴露于流体混合物101之前跨越电化学电池100施加电势差，使得在暴露于流体混合物101之前产生电活性物质的至少一个还原态(例如，R)。
在一些实施方案中，该方法包括从流体混合物中基本上不除去或除去相对少的按摩尔百分比计的存在于流体混合物中的第二路易斯酸气体。例如，再次参考图1B，在跨越电化学电池100施加电势差时，基本上没有第二路易斯酸气体104从流体混合物101中除去(例如，与第一路易斯酸气体102相比，通过与由施加电势差产生的电活性物质的还原态R的反应而除去)。在一些情况下，如果期望产生相对不含第一路易斯酸气体的流体混合物，则从包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的流体混合物中基本上不除去或除去相对少的第二路易斯酸气体可能是有益的。作为一个非限制性实例，流体混合物可以包含二氧化碳(CO2)和二氧化硫(SO2)，但期望流体混合物仅包含CO2(例如，用于下游碳捕获过程)。因此，在一些实施方案中，向电化学电池施加电势差并将流体混合物暴露于电化学电池可以导致除去一定量(或全部)的SO2，同时基本上不除去或除去相对少的CO2。在进行这样的方法之后流体混合物中SO2浓度的降低可以提高涉及流体混合物的下游过程的效率和/或生产力。
除去一定量的第一路易斯酸同时基本上不除去或除去相对少的第二路易斯酸可以根据本公开内容中描述的多种技术中的任一者(单独或组合)来完成。例如，除去一定量的第一路易斯酸气体同时基本上不除去或除去相对少的第二路易斯酸可以包括将包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的流体混合物暴露于被配置成使得第一路易斯酸气体与电活性物质键合但第二路易斯酸气体不与电活性物质键合(例如，由于热力学不利性或动力学原因)的条件。在一些实施方案中，所述条件被配置为使得第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体均可以与电活性物质键合，但第一路易斯酸气体对电活性物质比第二路易斯酸气体对电活性物质具有更大的亲和力(如通过在运行条件下的平衡结合常数测量的)。一些这样的配置可导致第二路易斯酸气体(例如二氧化碳)可逆地与电活性物质键合并且第一路易斯酸气体不可逆地与电活性物质键合，使得第一路易斯酸气体胜过和/或取代第二路易斯酸气体。这样的反应性的净结果是从流体混合物中除去一定量的第一路易斯酸气体，而除去相对少的或不除去第一路易斯酸气体，尽管在所有过程的至少一些期间形成了第一路易斯酸气体-电活性物质复合物。作为另一种形式，第一路易斯酸气体的除去可以通过以下来发生：使第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体(例如二氧化碳)与一种或更多种还原的电活性物质键合并随后从复合物中选择性地释放第二路易斯酸气体(例如，通过第二路易斯酸气体-电活性物质复合物的氧化或温度变化)同时从复合物中相对少地释放或不释放第一路易斯酸气体。
在一些实施方案中，所述方法包括从流体混合物中除去一定量的第一路易斯酸，并且从流体混合物中除去按摩尔百分比计小于或等于10％、小于或等于5％、小于或等于1％、小于或等于0.5％、小于或等于0.1％、小于或等于0.05％、小于或等于0.01％、小于或等于0.001％和/或低至0.0001％、低至0.00001％或更低的存在于流体混合物中的第二路易斯酸气体。在一些实施方案中，所述方法包括从流体混合物中除去按体积百分比计小于或等于10％、小于或等于5％、小于或等于1％、小于或等于0.5％、小于或等于0.1％、和/或低至0.05％、低至0.01％、低至0.001％、和/或低至0.0001％、低至0.00001％或更低的存在于流体混合物中的第二路易斯酸气体。在一些实施方案中，在所述方法的执行期间，基本上没有(例如，没有或相对于流体混合物的目的(例如碳捕获或纯化气体生产)可忽略的量)第二路易斯酸气体被除去。
跨越电化学电池施加的电势差可以在充电模式下进行。在充电模式下，氧化还原半反应在负电极发生，其中负电极的电活性物质被还原。在充电模式期间跨越电化学电池施加的电势差可以具有特定电压。跨越电化学电池施加的电势差可以取决于，例如用于产生电活性物质的至少一个还原态的标准还原电势，以及用于第二电活性物质(当存在时)的还原态与氧化态之间的相互转化的标准还原电势。在一些实施方案中，电势差为至少0V、至少0.1V、至少0.2V、至少0.5V、至少0.8V、至少1.0V、至少1.5V、或更高。在一些实施方案中，电势差小于或等于2.0V、小于或等于1.5V、小于或等于1.0V、小于或等于0.5V、或更低。这些电压的组合也是可能的。例如，在一些实施方案中，跨越电化学电池施加的电势差为至少0.5V且小于或等于2.0V。其他值也是可能的。
跨越电化学电池施加的电势差可以在放电模式下进行。在放电模式中，氧化还原半反应在负电极发生，其中负电极的电活性物质被氧化。在放电模式期间，跨越电化学电池的电势差可以具有特定电压。例如，在一些实施方案中，电势差可以小于0V、小于或等于-0.5V、小于或等于-1.0V、或者小于或等于-1.5V。在一些实施方案中，电势差可以为至少-2.0V、至少-1.5V、至少-1.0V或至少-0.5V。这些电压的组合也是可能的，例如至少-2.0V且小于或等于-0.5V。其他值也是可能的。
暴露于电化学电池的流体混合物可以以多种形式和组成中的任一者出现。在一些实施方案中，流体混合物是气体混合物。例如，根据一些实施方案，在图1A至1B中，在暴露于电化学电池100时，流体混合物101为包含第一路易斯酸气体102和第二路易斯酸气体104的气体混合物。在一些实施方案中，流体混合物是液体混合物。例如，根据一些实施方案，在图1A至1B中，流体混合物101是包含其中存在(例如，溶解)第一路易斯酸气体102和第二路易斯酸气体的液体(例如，溶剂)的液体混合物。液体可以是多种液体中的任一者，例如水或有机液体(例如，N，N-二甲基甲酰胺、液体醌)、离子液体、有机材料的低共熔混合物(在某些组合下为液体)，及其组合。可以适用于本文的方法和系统的液体醌的一个实例是苯醌和第二醌如萘醌的液体混合物，如Shimizu A、Takenaka K、Handa N、Nokami T、Itoh T、YoshidaJI的Liquid Quinones for Solvent-Free Redox Flow Batteries.AdvancedMaterials.2017年十一月；29(41)：1606592中所述的，其出于所有目的通过引用并入本文。在一些实施方案中，流体混合物的液体包含碳酸酯。例如，在一些实施方案中，液体包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲基乙基酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、或其组合。
如上所述，流体混合物可以包含第一路易斯酸气体。路易斯酸气体通常是指能够接受(例如，通过具有在能量上可得到供体的电子对的空轨道)来自电子对供体的电子对的气态物质。在一些情况下，路易斯酸气体的pKa低于电极的电活性物质(当存在时)(处于其还原态中的一者或更多者下)的pKa。例如，在一些情况下，电活性物质包含任选取代的醌，所述醌具有拥有一定pKa的半醌还原态，并且在这些情况下，具有比该半醌更低的pKa的气体将被认为是路易斯酸气体。在一些实施方案中，第一路易斯酸气体是选自二氧化硫(SO2)、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、R2S、硫化羰(COS)、R3B、三氟化硼(BF3)、或其组合的气体，其中每个R独立地为H、支化或未支化的C1至C8烷基、芳基、环基、杂芳基、或杂环基。在一些实施方案中，R2S是硫化氢(H2S)。在一些实施方案中，R3B是硼烷。硼烷的一个实例是BH3。例如，在一些情况下，电活性物质包含任选取代的醌，所述醌具有拥有一定pKa的半醌还原态，并且在这些情况下，具有比该半醌更低的pKa的气体将被认为是路易斯酸气体。在一些实施方案中，第一路易斯酸气体是选自二氧化硫(SO2)、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、R2S、硫化羰(COS)、R3B、三氟化硼(BF3)、或其组合的气体，其中每个R独立地为H、支化或未支化的C1至C8烷基、芳基、环基、杂芳基、或杂环基。在一些实施方案中，第一路易斯酸气体是选自二氧化硫(SO2)、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、硫化氢(H2S)、硫化羰(COS)、硼烷(BH3)、三氟化硼(BF3)、或其的组合的气体。应当理解，在本文中，第一路易斯酸气体为两种或更多种物质的组合是指包含所述两种或更多种物质中的每一者的混合物，而不是通过所述两种或更多种物质之间的反应形成的化学产物(例如，加成产物)。受益于本公开内容，本领域普通技术人员将理解适用的SOx和NOx路易斯酸气体，并且这些式中的“x”是指可变的化学计量系数。在一些实施方案中，第一路易斯酸是期望被除去的物质。例如，在某些碳捕获应用中，例如SO2的含硫气体可以存在于流体流(例如，气体流出物)中。含硫气体可能干扰碳捕获法(例如，通过与吸附材料竞争)。因此，从流体混合物中除去含硫物质可以改善碳捕获过程。
在一些实施方案中，流体混合物中第一路易斯酸气体的浓度(例如，在施加电势差之前)相对高。在一些实施方案中，流体混合物中第一路易斯酸气体的浓度(例如，在施加电势差之前)大于或等于0.00001摩尔百分比(mol％)、大于或等于0.0001mol％、大于或等于0.001mol％、大于或等于0.01摩尔百分比(mol％)、大于或等于0.1mol％、大于或等于0.5mol％、大于或等于1mol％、大于或等于5mol％、大于或等于10mol％、大于或等于25mol％、大于或等于50mol％、大于或等于75mol％、大于或等于90mol％、或更大。在一些实施方案中，流体混合物中第一路易斯酸气体的浓度(例如，在施加电势差之前)小于或等于99mol％、小于或等于95mol％、小于或等于90mol％、小于或等于75mol％、小于或等于50mol％、小于或等于25mol％、小于或等于10mol％、小于或等于5mol％、小于或等于2mol％、小于或等于1mol％、或更小。组合(例如，大于或等于0.01mol％且小于或等于99mol％)是可能的。另一种可能的组合为大于或等于0.00001mol％且小于或等于99mol％。
在一些实施方案中，流体混合物中第一路易斯酸气体的浓度(例如，在施加电势差之前)大于或等于0.01体积百分比(体积％)、大于或等于0.1体积％、大于或等于0.5体积％、大于或等于1体积％、大于或等于5体积％、大于或等于10体积％、大于或等于25体积％、大于或等于50体积％、大于或等于75体积％、大于或等于90体积％、或更大。在一些实施方案中，流体混合物中第一路易斯酸气体的浓度(例如，在施加电势差之前)小于或等于99体积％、小于或等于95体积％、小于或等于90体积％、小于或等于75体积％、小于或等于50体积％、小于或等于25体积％、小于或等于10体积％、小于或等于10体积％、小于或等于5体积％、小于或等于2体积％、小于或等于1体积％、或更小。组合(例如，大于或等于0.01体积％且小于或等于99体积％)是可能的。
在一些实施方案中，流体混合物包含第二路易斯酸气体。在一些实施方案中，第二路易斯酸气体包含选自二氧化碳、氮氧化物、R3B、或R2S中的一种或更多种物质，其中每个R独立地为H、支化或未支化的C1至C8烷基、芳基、环基、杂芳基、或杂环基。在一些实施方案中，第二路易斯酸气体包括选自二氧化碳、氮氧化物、硼烷、或H2S的一种或更多种物质。如上所述，在一些实施方案中，第二路易斯酸气体是二氧化碳并且期望对流体混合物进行碳捕获过程或纯化过程(以产生基本上纯的二氧化碳，例如用于碳封存)。在一些实施方案中，R2S是硫化氢(H2S)。本文所述的包括除去一定量的第一路易斯酸气体同时基本上不除去或除去相对少的存在于流体混合物中的任何第二路易斯酸气体(例如二氧化碳)的方法对于一些这样的应用可能是有益的。应理解，在一些实施方案中，流体混合物包含第一路易斯酸气体(例如，SO2)和两种或更多种其他的气态路易斯酸物质(例如，CO2和NO3)，并且期望除去一定量的SO2同时基本上不除去或除去相对少的所述两种或更多种其他的气态路易斯酸物质(例如，CO2和NO3)。可以包含在第二路易斯酸气体中的路易斯酸气体的另一个实例是NO2。在一些这样的实施方案中，第二路易斯酸气体被认为是两种或更多种其他路易斯酸气体(例如，CO2和NO3)的组合(作为混合物)。然后可以进行进一步的下游步骤：其中从产物流体流中(例如，电化学地)除去一定量的所述两种或更多种其他路易斯酸气体中的一者(例如，NO3)同时基本上不除去或除去相对少的所述两种或更多种其他路易斯酸气体中的剩余者(例如，CO2)。在一些情况下，本文所述的方法涉及除去含硫路易斯酸气体，同时基本上不除去或除去相对少的第二种不同的含硫路易斯酸气体。例如，在一些实施方案中，第一路易斯酸气体是SO2并且第二路易斯酸气体是H2S，并且所述方法包括从流体混合物中除去一定量的SO2同时基本上不除去或除去相对少的H2S。作为又一个实例，在一些情况下，本文所述的方法包括除去第一硼烷同时基本上不除去或除去相对少的第二种不同的硼烷。例如，在一些实施方案中，第一路易斯酸气体是BH3以及第二路易斯酸气体是BF3，并且所述方法包括从流体混合物中除去一定量的BH3同时基本上不除去或除去相对少的BF3。
在一些实施方案中，流体混合物中第二路易斯酸气体的浓度(例如，在施加电势差之前)相对高。在一些实施方案中，流体混合物中的第二路易斯酸气体的浓度(例如，在施加电势差之前)大于或等于0.01摩尔百分比(mol％)、大于或等于0.1mol％、大于或等于0.5mol％、大于或等于1mol％、大于或等于5mol％、大于或等于10mol％、大于或等于25mol％、大于或等于50mol％、大于或等于75mol％、大于或等于90mol％、或更大。在一些实施方案中，流体混合物中第二路易斯酸气体的浓度(例如，在施加电势差之前)小于或等于99mol％、小于或等于95mol％、小于或等于90mol％、小于或等于75mol％、小于或等于50mol％、小于或等于25mol％、小于或等于10mol％、小于或等于5mol％、小于或等于2mol％、小于或等于1mol％、或更小。组合(例如，大于或等于0.01mol％且小于或等于99mol％)是可能的。
在一些实施方案中，流体混合物中第二路易斯酸气体的浓度(例如，在施加电势差之前)大于或等于0.01体积百分比(体积％)、大于或等于0.1体积％、大于或等于0.5体积％、大于或等于1体积％、大于或等于5体积％、大于或等于10体积％、大于或等于25体积％、大于或等于50体积％、大于或等于75体积％、大于或等于90体积％、或更大。在一些实施方案中，流体混合物中第二路易斯酸气体的浓度(例如，在施加电势差之前)小于或等于99体积％、小于或等于95体积％、小于或等于90体积％、小于或等于75体积％、小于或等于50体积％、小于或等于25体积％、小于或等于10体积％、小于或等于10体积％、小于或等于5体积％、小于或等于2体积％、小于或等于1体积％、或更小。组合(例如，大于或等于0.01体积％且小于或等于99体积％)是可能的。
在一些实施方案中，在本文所述的过程期间从流体混合物中除去相对大量的第一路易斯酸气体。在一些情况下，除去相对大量的第一路易斯酸气体可以有利于多种应用中的任一者，例如捕获如果释放到大气中出于环境原因可能是有害的或者对于流体混合物的下游过程有害的气体(例如，碳捕获)。在一些实施方案中，经处理的流体混合物(例如，在暴露于电化学电池时从其中除去了一定量的第一路易斯酸气体的流体混合物)中第一路易斯酸气体的量为在处理之前原始流体混合物中第一路易斯酸气体的量(按体积百分比计)(例如，在暴露于电化学电池之前流体混合物中的目标的量)的小于或等于50％、小于或等于25％、小于或等于10％、小于或等于5％、小于或等于2％、小于或等于1％、小于或等于0.5％、小于或等于0.1％或更少。在一些实施方案中，经处理的流体混合物中第一路易斯酸气体的量为在处理之前原始流体混合物中第一路易斯酸气体的量(按体积百分比计)的大于或等于0.001％、大于0.005％、大于或等于0.01％、大于或等于0.05％、大于或等于0.1％、大于或等于0.5％、大于或等于1％、大于或等于2％、大于或等于5％、或更多。
在一些实施方案中，经处理的流体混合物(例如，在暴露于电化学电池时从其中除去了一定量的第一路易斯酸气体的流体混合物)中第一路易斯酸气体的量为在分离之前原始流体混合物中第一路易斯酸气体的量(按摩尔百分比计)(例如，在暴露于电化学电池之前流体混合物中的目标的量)的小于或等于50％、小于或等于25％、小于或等于10％、小于或等于5％、小于或等于2％、小于或等于1％、小于或等于0.5％、小于或等于0.1％或更少。在一些实施方案中，经处理的流体混合物中第一路易斯酸气体的量为在处理之前原始流体混合物中第一路易斯酸气体的量(按摩尔百分比计)的大于或等于0.001％、大于0.005％、大于或等于0.01％、大于或等于0.05％、大于或等于0.1％、大于或等于0.5％、大于或等于1％、大于或等于2％、大于或等于5％、或更多。
如上所述，在本文所述的方法期间可以使用某些电活性物质以除去一定量的第一路易斯酸气体同时基本上不除去或除去相对少的第二路易斯酸气体。如本文所用，电活性物质通常是指在电化学电池中在暴露于电势时经历氧化或还原的试剂(例如，化学实体)。然而，应当理解，虽然电活性物质可以经历电势诱导的氧化和还原反应，但化学地诱导氧化态的变化(例如，通过在溶液中或在表面处暴露于化学还原剂或化学氧化剂)也可以是可能的。在一些但不一定是所有实施方案中，电极包含电活性物质。应当理解，当电极包含电活性物质时，电活性物质可以位于电极的表面处、电极内部的至少一部分中(例如，电极的孔中)，或这两者。例如，参考图2，在一些实施方案中，电化学电池100包括负电极110，负电极110包含电活性物质。电活性物质可以在负电极110表面上或表面附近，电活性物质可以在负电极110的至少一部分的内部中，或这两者的组合。在一些实施方案中，一些或所有的电活性物质不是电极的一部分。相反，在一些实施方案中，电活性物质存在于传导介质例如电解质(例如，液体电解质溶液)中。在一些这样的实施方案中，电活性物质可以自由地在传导介质中扩散(例如，溶解在例如液体电解质溶液的传导液体中)。
如本文所用，电化学电池的负电极是指在充电过程中电子注入的电极。例如，参考图2，当电化学电池100充电时(例如，通过由外部电源施加电势)，电子穿过外部电路(未示出)并进入负电极110。因此，在一些情况下，与负电极电连通的物质在电化学电池的充电过程期间可以还原至还原态(电子数增加的状态)。
在至少一种传导介质中，电活性物质可以具有氧化态(具有比还原态更少的电子)和至少一个还原态(具有比氧化态更多的电子)。作为一个非限制性实例，如果电活性物质为任选取代的醌，则中性醌将被认为是氧化态，半醌(向中性醌添加一个电子的产物)将被认为是一种还原态，醌二价阴离子(向中性醌添加一个电子的产物)将被认为是另一种还原态。
在一些实施方案中，在至少一种传导介质中，电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述物质能够与第一路易斯酸气体(例如SO2)键合。能够与第一路易斯酸气体键合的物质通常是指所述物质与第一路易斯酸气体以对于使有用的气体捕获和/或分离过程发生而言足够显著的程度和足够显著的速率进行键合反应的能力。例如，能够与第一路易斯酸气体键合的物质在室温(23℃)下可以具有大于或等于101M-1、大于或等于102M-1、和/或高至103M-1或更高的与第一路易斯酸气体的结合常数。能够与第一路易斯酸气体键合的物质可以能够以分钟量级、秒量级、毫秒量级或低至微秒或更低的量级的时间尺度与第一路易斯酸气体键合。物质可以能够在至少一个温度(例如，大于或等于223K且小于或等于573K的至少一个温度，例如298K)下与路易斯酸气体键合。在一些实施方案中，物质能够在第一温度下与路易斯酸气体键合，但在第二温度下与路易斯酸气体的键合在热力学上和/或动力学上是不利的。这样的温度依赖性可以基于物质(例如，还原的醌)和路易斯酸气体(例如，二氧化碳)之间的吉布斯自由能变化的温度依赖性。借助于本公开内容的见解和指导，本领域普通技术人员将能够选择合适的温度以促进处于其至少一个还原态下的物质与路易斯酸气体(例如，第一路易斯酸)之间的键合。
在一些实施方案中，在至少一种传导介质中，电活性物质具有氧化态，在氧化态下其能够释放键合的第一路易斯酸气体。可以选择电活性物质使得在至少一个还原态下，其对于其预期的特定应用的路易斯酸气体具有强亲和力。例如，在SO2为第一路易斯酸气体的一些实施方案中，所选择的电活性物质可以具有101至103M-1的与SO2的结合常数。在一些实施方案中，所选择的电活性物质可以具有101至103M-1的与不同第一路易斯酸气体的结合常数。已经观察到一些但不是所有的醌可以用作合适的电活性物质。在一些实施方案中，在SO2的存在下，任选取代的醌可被还原为其半醌或二价阴离子(例如，在单个步骤或多个步骤中)，然后与SO2结合形成复合物。也可以使用在还原时可以与第一路易斯酸气体(SO2)形成共价键的其他电活性物质。
在一些实施方案中，在至少一种传导介质中，电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态存在至少一个温度(例如，298K)：在该温度下所述物质与第二路易斯酸气体的反应在热力学上是不利的。在一些实施方案中，电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态所述物质与第二路易斯酸气体的反应在以下范围内的至少一个温度下是热力学上不利的：大于或等于223K、大于或等于248K、大于或等于273K、大于或等于298K、和/或高至323K、高至348K、高至373K、高至398K、高至423K、高至448K、高至473K、高至498K、高至523K、高至548K、高至573K、或更高。在一些实施方案中，电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，所述物质与第二路易斯酸气体的反应在298K的温度下是热力学上不利的。应当理解，如本文所用，在给定温度下是热力学上不利的反应是指在该温度下具有正的吉布斯自由能变化(ΔGrxn)的反应。例如，处于至少一个还原态下的物质与第二路易斯酸气体(例如，CO2)之间的反应在以下范围内的至少一个温度下可以具有大于0kcal/mol、大于或等于+0.1kcal/mol、大于或等于+0.5kcal/mol、大于或等于+1kcal/mol、大于或等于+2kcal/mol、大于或等于+3kcal/mol、大于或等于+5kcal/mol、和/或高至+8kcal/mol、高至+10kcal/mol、高至+20kcal/mol、或更高的吉布斯自由能变化(ΔGrxn)：大于或等于223K、大于或等于248K、大于或等于273K、大于或等于298K、和/或高至323K、高至348K、高至373K、高至473K、高至573K、或更高。在一些实施方案中，处于至少一个还原态下的物质与第二路易斯酸气体(例如，CO2)之间的反应在298K的温度下具有大于0kcal/mol、大于或等于+0.1kcal/mol、大于或等于+0.5kcal/mol、大于或等于+1kcal/mol、大于或等于+2kcal/mol、大于或等于+3kcal/mol、大于或等于+5kcal/mol、和/或高至+8kcal/mol、高至+10kcal/mol、高至+20kcal/mol、或更高的吉布斯自由能变化(ΔGrxn)。
在某些情况下，在至少一种传导介质中，电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态存在至少一个温度(例如，298K)：在该温度下所述物质与第二路易斯酸气体的键合在动力学上是不利的，因为反应速率太低以至于该反应无法在与工艺/工艺步骤(例如，气体捕获)的特征时间尺度(例如微秒、毫秒、秒、或分钟)相称的时间尺度上发生。已经意识到可以通过多种方式实现这样的动力学选择性，包括用某些取代基使电活性物质官能化。例如，电活性物质可以用大体积的取代基(例如，叔丁基部分)官能化，使得空间位阻对第二路易斯酸气体与所述物质的反应的阻碍程度比其对第一路易斯酸气体与所述物质的反应的阻碍程度更大。
在一些实施方案(其中所述电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态存在至少一个温度(例如，298K)：在该温度下所述物质与第二路易斯酸气体的键合在动力学上是不利的)中，第一路易斯酸气体与所述物质的反应的速率常数与第二路易斯酸气体的反应的速率常数的比大于或等于2、大于或等于5、大于或等于10、大于或等于50、大于或等于100、和/或高至500、高至1000、或更大。在一些实施方案(其中所述电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下，所述物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态存在至少一个温度(例如，298K)：在该温度下所述物质与第二路易斯酸气体的键合在动力学上是不利的)中，第一路易斯酸气体与所述物质的反应的时间尺度与第二路易斯酸气体的时间尺度的比大于或等于2、大于或等于5、大于或等于10、大于或等于50、大于或等于100、和/或高至500、高至1000、或更大。第一路易斯酸气体与所述物质的反应和第二路易斯酸气体与所述物质的反应的时间尺度的比可以通过测量达到每个反应的50％完成度的时间来确定，每个反应在其他方面基本相同的条件下发生(相同的气体初始浓度、相同的温度、相同的浓度、相同的反应介质(例如，溶剂和支持电解质(如果存在的话))、相同的混合速率、相同的电活性物质浓度和/或电活性物质可及表面积等)。受益于本公开内容，本领域普通技术人员将能够使用例如在传导介质(在传导介质经路易斯酸气体饱和的情况下)中的循环伏安法来确定所述物质与路易斯酸气体之间的反应在热力学上和/或动力学上是有利的或不利的。
认为处于其还原态的电活性物质的pKa可以至少部分地有助于控制所述物质相对于第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的选择性。在一些实施方案中，在至少一个还原态下，电活性物质包含pKa大于或等于第一路易斯酸气体的pKa且小于第二路易斯酸气体的pKa的部分。作为一个非限制性实例，在一些实施方案中，在至少一种传导介质中或在进行处理的传导介质中，在至少一个还原态下，电活性物质包含pKa大于或等于SO2的pKa且小于CO2的pKa的部分(例如，羰基)。通过明智地选择处于其还原态的电活性物质的pKa(例如，通过用官能团衍生化)，可以实现相对于第二路易斯酸气体的与第一路易斯酸气体的选择性反应性。本领域普通技术人员将能够通过化学地或电化学地制备还原态并进行酸碱滴定(例如，通关比色法，经由循环伏安法等)或者通过本领域已知的任何其他合适的技术来确定电活性物质(例如，处于还原态)的pKa。物质在给定条件(温度、溶剂、支持电解质)下的相对pKa值可以使用电化学技术例如循环伏安法或开路电势技术来测定以确定物质的还原电势，还原电势更正的物质具有更低的pKa。pKa可取决于测量其的温度。在一些实施方案中，pKa在上述任何温度下测量，例如在298K下。
在一些情况下，处于其至少一个还原态的电活性物质可以能够在第一温度下与第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体二者反应，但是在第二不同温度下，处于其至少一个还原态的电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但与第二路易斯酸的反应在热力学上和/或动力学上是不利的。在一些这样的情况下，从包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的流体混合物中除去一定量的第一路易斯酸气体可以包括在第一温度下使第一路易斯酸气体与处于还原态的一种或更多种电活性物质键合，并且使第二路易斯酸气体与处于还原态的一种或更多种电活性物质键合以分别形成第一路易斯酸气体-电活性物质复合物和第二路易斯酸气体-电活性物质复合物。随后，第一路易斯酸气体-电活性物质复合物和第二路易斯酸气体-电活性物质复合物可以暴露于在第二不同温度下的条件，导致通过第二路易斯酸气体与电活性物质之间的键合反应的逆转从复合物中释放一定量(例如，按摩尔百分比计或体积百分比计至少10％、至少25％、至少50％、至少75％、至少90％、至少95％、至少98％、至少99％或全部)的第二路易斯酸气体，同时基本上不释放或释放相对少的(例如，按摩尔百分比计或体积百分比计小于或等于10％、小于或等于5％、小于或等于2％、小于或等于1％、小于或等于0.5％、小于或等于0.1％、和/或低至0.05％、低至0.01％、或更少)第一路易斯酸气体。从第一温度改变到第二温度可以通过将各个键合反应的平衡常数朝着气体的释放而移动来导致至少部分释放。例如，形成复合物的键合反应在第一温度下可以各自具有负的吉布斯自由能变化，但在第二温度下，涉及第一路易斯酸气体的键合的反应可保持为负，而涉及第二路易斯酸的键合的反应可变为正(因此在热力学上是不利的)。基于多种考虑，可以采用明智选择的电活性物质来实现这样的效果。例如，电活性物质可以基于与电活性物质的各自的复合物形成反应的焓变化和熵变化的知识或测量来选择。
其中可以除去第一路易斯酸气体同时从流体混合物中除去很少或基本上不除去第二路易斯酸气体(例如二氧化碳)的一种非限制性方式是通过在运行的至少一部分期间跨越电化学电池施加一定电势。例如，在本公开内容的上下文中已经发现，可以跨越电化学电池施加足以将电活性物质还原到至少一个还原态(在所述至少一个还原态下所述物质能够与第一路易斯酸气体键合)的电势(例如，第一电势)，但所述电势不足以达到这样的状态：在所述状态下所述物质(或电极本身)能够与第二路易斯酸气体反应(例如结合)。电活性物质的明智选择可以允许施加这样的电势，而某些常规电活性物质可能不允许施加这样的电势。跨越电化学电池施加的电势可以使得负电极处的电极电势相对于用于形成能够与第二路易斯酸气体键合的物质之还原态的标准还原电势为正(例如，大于或等于10mV、大于或等于50mV、大于或等于100mV、大于或等于200mV、大于或等于5mV、和/或高至1V或更高)。
虽然上述某些实施方案涉及通过选择性地使第一路易斯酸气体与电活性物质的反应程度大于第二路易斯酸气体的反应程度来从包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的混合物中选择性除去第一路易斯酸气体，也考虑了选择性地除去第一路易斯酸气体的其他方法。作为一个实例，一些实施方案涉及包括通过以下选择性地除去路易斯酸气体的方法：使第一路易斯酸气体(例如，二氧化硫)和第二路易斯酸气体(例如，二氧化碳)与一种或更多种还原的电活性物质键合，随后从复合物中选择性地释放第二路易斯酸气体(例如，通过第二路易斯酸气体-电活性物质复合物的氧化)，同时从复合物中释放相对少的第一路易斯酸气体或不释放第一路易斯酸气体。
在一些实施方案中，将包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的流体混合物暴露于一种或更多种电活性物质。电活性物质(例如，任选取代的醌)可以处于还原态(例如，任选取代的半醌、任选取代的醌二价阴离子，或其组合)。例如，参考图3，可以将包含第一路易斯酸气体102和第二路易斯酸气体104的流体混合物101暴露于还原的电活性物质R。电活性物质可以最初处于氧化态(例如，任选取代的醌)，然后转化为还原态(例如，任选取代的半醌或醌二价阴离子)。制备处于还原态的电活性物质的这样的还原过程可以在将包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的流体混合物暴露于电活性物质的步骤之前和/或在暴露期间发生。还原可以例如通过跨越电化学电池施加电势差时的电子转移而发生，所述电化学电池包括与电活性物质电连通的负电极。处于还原态的电活性物质可以为电极的一部分(例如，固定在负电极上)，在液体溶液(例如，流体混合物)中自由地扩散，或其组合。
暴露于处于其还原态的一种或更多种电活性物质可以例如包括使流体混合物流向或流过电活性物质(例如，靠近电活性物质)和/或将路易斯酸气体与电活性物质混合在溶液中(例如，通过混合单独的溶液或用包含路易斯酸气体的气体混合物使包含电活性物质的溶液鼓泡)。
在一些实施方案中，一定量的第一路易斯酸气体与第一部分的处于还原态的电活性物质键合以形成第一路易斯酸气体-电活性物质复合物。此外，在一些实施方案中，一定量的第二路易斯酸气体与第二部分的处于还原态的电活性物质键合以形成第二路易斯酸气体-电活性物质复合物。第一路易斯酸气体与第一部分的电活性物质键合以及第二路易斯酸气体与第二部分的电活性物质的键合可以同时或顺序发生。例如，在一些实施方案中，第二路易斯酸气体可以与还原的电活性物质(例如，电活性物质的子集或全部)键合，然后在一段时间之后，第一路易斯酸气体可以与还原的电活性物质(例如，电活性物质的子集或全部)键合。在另一些实施方案中，第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体在相同的时间段内各自与还原的电活性物质键合。应该理解，路易斯酸气体-电活性物质复合物可以通过多种力(例如共价键、离子键、氢键、或特定的非共价亲和力相互作用)中的任一者形成。再次参考图3，根据某些实施方案，第一路易斯酸气体分子102(例如，二氧化硫)可以与还原的电活性物质R键合以形成第一路易斯酸气体-电活性物质复合物107，并且第二路易斯酸气体分子104(例如，二氧化碳)可以与还原的电活性物质R键合以形成第二路易斯酸气体-电活性物质复合物109。当复合时，第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体可以相对于装置的结构(例如电极)或相对于其中存在(例如溶解)电活性物质的溶液而至少暂时地固定。第一部分的一种或更多种电活性物质(第一路易斯酸气体与其键合)可以例如是第一多种的电活性物质分子或聚合物部分，以及第二部分的电活性物质(第二路易斯酸气体与其键合)可以是第二多种的电活性物质分子或聚合物部分。第一部分的一种或更多种电活性物质以及第二部分的一种或更多种电活性物质可以是相同类型的物质(例如，相同类型的任选取代的醌分子或聚合物残基))，或者第一部分和第二部分可以包括不同类型的物质(例如，具有不同取代基的醌)。
在一些实施方案中，至少一些第二路易斯酸气体-电活性物质复合物被氧化使得从复合物中释放一定量(例如，按摩尔百分比或体积百分比计至少10％、至少25％、至少50％、至少75％、至少90％、至少95％、至少98％、至少99％、或全部)的第二路易斯酸气体。例如，再次参考图3，第二路易斯酸气体-电活性物质复合物109可以在步骤10期间被氧化以形成处于其氧化态Ox的电活性物质，从而从第二路易斯酸气体-电活性物质复合物109中释放第二路易斯酸气体分子104。然后，在一些情况下，所释放的第二路易斯酸气体分子(例如，二氧化碳)可以从包含第一路易斯酸气体-电活性物质复合物(例如，二氧化硫-电活性物质复合物)的流体混合物中分离。这样的分离可以在一些这样的情况下完成：其中通过使流体混合物流过固定的复合物(例如，通过使用正压力源和/或负压力源使气流或流体流流动)来固定复合物。在复合物至少部分地溶解在溶液中的一些情况下，第二路易斯酸气体可以通过对第二路易斯酸气体进行放气或通过蒸发(例如，通过暴露于减压条件例如暴露于真空)来分离。第二路易斯酸气体-电活性物质复合物的氧化可以使用多种技术中的任一者(例如电化学地或化学地)来进行。例如，氧化步骤可以包括将第二路易斯酸气体-电活性物质复合物暴露于电化学电池，同时跨越电化学电池施加电势差。在作为溶液中的游离复合物(在扩散或强制流体流动下)或者电活性物质可以相对于负电极固定(例如，通过吸附、官能化、或包含在氧化还原活性聚合物中)的情况下，第二路易斯酸气体-电活性物质复合物可以暴露于例如电化学电池的负电极。替代地或另外地，氧化可以包括暴露于溶解在溶液中或固定/沉积在表面上的合适的化学氧化剂。
在一些实施方案中，在至少一些第二路易斯酸气体-电活性物质复合物被氧化(并且一定量的第二路易斯酸气体被释放)时，从第一路易斯酸气体-电活性物质复合物中基本上没有(例如，相对于所采用的应用是可忽略不计的量)第一路易斯酸气体被释放。在一些实施方案中，在至少一些第二路易斯酸气体-电活性物质复合物被氧化(并且一定量的第二路易斯酸气体被释放)时，以下量的第一路易斯酸气体被释放：按摩尔百分比计为第一路易斯酸气体-电活性物质复合物的小于或等于70％、小于或等于50％、小于或等于25％、小于或等于10％、小于或等于5％、小于或等于2％、小于或等于1％、小于或等于0.5％、小于或等于0.1％、小于或等于0.05％、和/或低至0.01％、低至0.001％、或更少。出于多种原因中的任一种，在第二路易斯酸气体-电活性物质复合物的氧化期间，可以基本上不释放或释放相对少的第一路易斯酸气体。例如，第二路易斯酸气体-电活性物质复合物发生氧化的条件可以不导致第一路易斯酸气体-电活性物质复合物的氧化，因为氧化剂(例如，化学氧化剂或在给定电势下的电极)的氧化能力可以足以氧化第二路易斯酸气体-电活性物质复合物(例如，热力学地或动力学地)，但不足以氧化第一路易斯酸气体-电活性物质复合物。当不同的复合物在给定条件下具有不同的氧化电势时，可能会发生这样的情况，这可归因于第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的不同酸度。另一个实例是第二路易斯酸气体-电活性物质复合物发生氧化的条件也导致至少一些第一路易斯酸气体-电活性物质复合物的氧化，但是其中第一路易斯酸气体与处于其氧化态的电活性物质之间的亲和力足够强，使得复合物得以维持并且不释放第一路易斯酸气体。氧化剂/电势和/或电活性物质的明智选择(例如，基于电活性物质和路易斯酸气体的测量的还原电势和/或pKa值)可以用于采用上述任何技术。
在一些实施方案中，多次进行使第二路易斯酸气体-电活性物质复合物氧化的步骤。例如，可以从流体混合物中分离在氧化步骤期间释放的气体(例如，所释放的第二路易斯酸气体和相对少量的第一路易斯酸气体)并将其暴露于第二组的还原的电活性物质(例如，在第二电化学电池处)以形成新的第二路易斯酸气体-电活性物质复合物和第一路易斯酸气体-电活性物质，其中第一路易斯酸气体与第二路易斯酸气体的比高于所述过程的初始暴露步骤期间的比。然后，新的第二路易斯酸气体-电活性物质可以被氧化以从复合物中释放第二路易斯酸气体，同时从复合物中基本上不释放或释放相对少量的第一路易斯酸气体。该过程可以重复两次、三次、四次、或更多次，其中每个过程逐渐使流体混合物富集第二路易斯酸气体，同时耗尽其的第一路易斯酸气体。这样的顺序过程可以使用例如具有多个塔盘的蒸馏型设备来执行。
在一些实施方案中，第一路易斯酸气体-电活性物质复合物被氧化使得一定量(例如，按摩尔百分比或体积百分比计至少10％、至少25％、至少50％、至少75％、至少90％、至少95％、至少98％、至少99％、或全部)的第一路易斯酸气体被释放。第一路易斯酸气体(例如二氧化硫)的这样的释放可以在与第二路易斯酸气体(例如二氧化碳)分离之后发生。在一些实施方案中，第一路易斯酸气体-电活性物质复合物的氧化在第二路易斯酸气体-电活性物质复合物的氧化之后发生。作为一个实例，在一些实施方案中，第二路易斯酸气体-电活性物质复合物的氧化是在第一时间段期间进行的第一氧化步骤，以及包括将至少一些第一路易斯酸气体-电活性物质复合物氧化的第二氧化步骤在第二(例如，稍后)时间段期间进行，使得释放一定量的第一路易斯酸气体。再次参考图3，第一路易斯酸气体-电活性物质复合物107可以在步骤20期间被氧化以形成处于其氧化态Ox的电活性物质，从而释放第一路易斯酸气体分子102。
与第一氧化步骤的情况一样，第二氧化步骤可以电化学地或化学地进行。例如，第二氧化步骤可以包括将第二路易斯酸气体-电活性物质复合物暴露于电化学电池，同时跨越电化学电池施加电势差。在一些实施方案中，用于第二氧化步骤的电化学电池是与第一氧化步骤相同的电化学电池。例如，第二路易斯酸气体-电活性物质复合物可以在第一时间段期间在电化学电池的负电极处被氧化，然后第一路易斯酸气体-电活性物质复合物可以在第二时间段期间在相同负电极处被氧化。通过在不同时间采用不同的电势，可以在不同的时间发生不同的氧化。例如，可以在第一氧化步骤期间以足以氧化第二路易斯酸气体-电活性物质复合物但不足以(例如，热力学地)氧化第一路易斯酸气体-电活性物质复合物的数量级施加第一电势差。然后，在第二氧化步骤期间，可以以足以氧化第一路易斯酸气体-电活性物质复合物的数量级施加第二电势差。
替代地，第一氧化和第二氧化可以在不同的(例如，气体分离系统的)电化学电池处进行。例如，第一氧化步骤可以包括将第二路易斯酸气体-电活性物质复合物暴露于第一电化学电池，同时跨越第一电化学电池施加电势差，以及第二氧化步骤可以包括将第一路易斯酸气体-电活性物质复合物暴露于第二(不同的)电化学电池，同时跨越第二电化学电池施加电势差。第二电势差可以不同于第一电势差(例如，在负电极处产生更正的电势)。可以使用例如氧化还原流动设备来进行这样的过程。图4示出了包括第一电化学电池100和第二电化学电池200的示例性流动设备400的示意图。第一电化学电池100和第二电化学电池200可以各自包括阳极110。阳极110可以各自与被配置为使流体混合物(例如，气态流体混合物或液体溶液)流动的导管402流体连通。即，导管中的流体可以能够接触第一电化学电池和第二电化学电池的阳极的至少一个表面。在图4中所示的实施方案中，流体设备400可以被配置为通过入口接收流体混合物405(例如，来自流体混合物源)，以及第一电化学电池100的阳极110可以与导管一起布置，使得流体混合物405的流动可以将流体混合物405暴露于第一电化学电池100的阳极110。在第一电化学电池100处，可以进行图3所示的氧化步骤10以氧化第二路易斯酸气体-电活性物质复合物，使得一定量的第二路易斯酸气体被释放。中间出口403可以被定位并配置成接收从流体混合物405中分离的第二路易斯酸气体407(例如，通过与真空源的连接)。流动设备406可以被配置成将包含第一路易斯酸气体-电活性物质但至少部分地(或完全地)耗尽第二路易斯酸气体分子的所得流体混合物406传输至第二电化学电池200。第二电化学电池200的阳极110可以布置有导管402，使得流体混合物406的流动可以将流体混合物406暴露于第二电化学电池200的阳极110。在第二电化学电池200处，可以进行图3所示的氧化步骤20以氧化第一路易斯酸气体-电活性物质复合物，使得一定量的第一路易斯酸气体被释放。流动设备400还可以被配置为将所释放的第一路易斯酸(例如，作为来自出口的气体408)排出。
作为上述过程的一个非限制性实例，二氧化硫和二氧化碳可以各自暴露于有机液体中的溶解的对萘醌二价阴离子(p-NQ2-)(例如，通过将气体鼓泡到液体中)。对萘醌二价阴离子可以通过电化学还原或化学还原制备。暴露可以引起在溶液中形成p-NQ(SO2)2和p-NQ(CO2)2复合物。然后可以在施加在溶液中足以氧化p-NQ(CO2)2以形成中性物质p-NQ和CO2但不足以氧化p-NQ(SO2)2复合物的氧化电势期间将溶液暴露于电化学电池的负电极。所释放的CO2可以从溶液中除去(例如，作为流体混合物例如气体混合物的一部分用于进一步的下游处理例如碳捕获)。然后可以在施加足以氧化p-NQ(SO2)2以形成p-NQ和SO2的更正的氧化电势期间，将包含p-NQ(SO2)2的剩余溶液暴露于负电极(相同电极或第二电化学电池的电极)，于是与CO2分离。
本文所述的电活性物质可以是任何合适的形式，前提是其满足本文所要求的标准中的至少一者。在一些实施方案中，电活性物质是或包含分子物质。例如，电活性物质可以是或包括有机分子。电活性物质可以包含一个或更多个能够与流体混合物中的第一路易斯酸气体结合的官能团(例如，当电活性物质处于还原态时)。官能团可以包括例如羰基。在一些实施方案中，电活性物质是聚合物例如氧化还原活性聚合物的一部分。电活性物质可以是固定在负电极上的聚合物材料的一部分。例如，参考图2，电活性物质可以是固定在电化学电池100的负电极110上的聚合物材料的一部分。然而，如上所述，电活性物质可以存在于传导介质(例如，传导液体)中。
在一些实施方案中，电活性物质是或包含有机物质。该物质可以是任选取代的(即，该物质可以包含与该物质的主要结构键合的官能团和/或其他部分或键)。在一些实施方案中，所述有机物质包含选自以下的一种或更多种物质：任选取代的醌、任选取代的硫醇盐、任选取代的联吡啶、任选取代的吩嗪和任选取代的吩噻嗪。
在某些情况下，电活性物质是或包含氧化还原活性聚合物，其包含任选取代的有机物质。任选取代的物质上的取代基(例如，官能团)的选择可以取决于多种因素中的任一者，包括但不限于其对任选取代的物质的pKa和/或标准还原电势的影响。受益于本公开内容，普通技术人员将理解如何基于例如合成可行性和所得的pKa和/或标准还原电势来确定任选取代的物质(例如醌)上的哪些取代基或取代基的组合适用于电活性物质。
作为一个非限制性实例，已经发现了用吸电子基团取代某些醌可以调节醌的某些氧化还原态的电子密度，这可影响所述物质对路易斯酸气体的选择性(例如，通过调节还原态的pKa)。作为一个非限制性实例，已出乎意料地观察到，用吸电子基团将1，4-萘醌官能化(例如，用腈以形成2，3-二氰基-1，4-萘醌)在还原时可以赋予对SO2的结合优先于结合CO2的选择性。受益于该见解，普通技术人员可以通过在期望的传导液体中在期望的温度下在每种路易斯酸气体的存在下进行电活性物质的循环伏安法和/或热重分析并确定相对反应性来筛选对路易斯酸气体具有期望的选择性的潜在的电活性物质。
在一些实施方案中，任选取代的醌是或包含任选取代的萘醌。在某些情况下，任选取代的醌是或包含任选取代的蒽醌。在一些实施方案中，任选取代的醌是或包含任选取代的喹啉。在一些实施方案中，任选取代的醌是或包含任选取代的1，2-苯并硫吡喃二酮。在一些实施方案中，任选取代的醌是苯并[g]喹啉-5，10-二酮、苯并[g]异喹啉-5，10-二酮、苯并[g]喹喔啉-5，10-二酮、喹啉-5，8-二酮、或1-lamba4-1，2-苯并硫吡喃-5，8-二酮中的一者。在一些实施方案中，任选取代的醌是或包含任选取代的菲醌(也称为任选取代的菲二酮)。取代基(例如，官能团)可以是上面或下面列出的那些中的任一者。
如上所述，电活性物质可以是氧化还原活性聚合物的一部分。在一些情况下，本文所述的任何任选取代的物质(例如有机物质)可以是氧化还原活性聚合物的一部分。在一些这样的情况下，氧化还原活性聚合物的至少一部分包含主链以及与主链共价键合的一种或更多种任选取代的物质。主链通常是指共价键合的原子的最长系列，所述共价键合的原子一起形成了聚合物分子的连续链。在某些其他情况下，本文所述的任选取代的物质可以是氧化还原活性聚合物的主链的一部分。
电活性物质可以包括交联的聚合物材料。例如，在一些实施方案中，电活性物质包括水凝胶、离子凝胶、有机凝胶、或其组合，或者并入到其中。这样的交联的聚合物材料在本领域中通常是已知的，并且在一些情况下可以包含本文所述的电活性物质作为三维结构的一部分(例如，通过共价键)。然而，在一些实施方案中，电活性物质通过吸附(例如，物理吸附和/或化学吸附)并入到交联的聚合物材料中。在一些实施方案中，电活性物质包含扩展的网络。例如，电活性物质可以包括金属有机骨架(metal organic framework，MOF)或共价有机骨架(covalent organic framewor，COF)。在一些实施方案中，电活性物质包括功能化含碳材料。例如，电活性物质可以包括功能化石墨烯、功能化碳纳米管、功能化碳纳米带、边缘功能化石墨、或其组合。
可以将任选取代的醌官能化的示例性官能团包括但不限于卤素(例如氯、溴、碘)、羟基、羧酸根/羧酸、磺酸根/磺酸、烷基磺酸根/烷基磺酸、膦酸根/膦酸、烷基膦酸根/烷基膦酸、酰基(例如乙酰基、乙基酯等)、氨基、酰胺基、季铵(例如四烷基氨基)、支化或未支化烷基(例如C1至C18烷基)、杂烷基、烷氧基、二醇氧基(glycoxy)、聚亚烷基二醇氧基(例如，聚乙烯二醇氧基)、亚氨基、聚亚氨基、支化或未支化烯基、支化或未支化炔基、芳基、杂芳基、杂环基、硝基、腈、硫基、和/或羰基，其中任一者是任选取代的。上述官能团也可以用于本文所述的任何其他类型的电活性物质(例如，任选取代的硫醇盐、任选取代的联吡啶、任选取代的吩嗪和任选取代的吩噻嗪、官能化水凝胶、官能化含碳材料例如官能化石墨烯、官能化碳纳米管、边缘官能化石墨等)。如本领域普通技术人员将理解的，芳族物质例如醌的杂芳基取代可以是与芳族物质稠合的环。例如，用杂芳基官能化的醌可以是喹啉-二酮(例如，苯并喹啉-二酮)。在一些情况下，作为电活性物质的一部分的环中的杂原子可能影响还原形式的电活性物质的pKa和/或其标准还原电势。例如，喹啉二酮可以具有比萘醌更正的标准还原电势，以及喹喔啉二酮可以具有比喹啉-二酮更正的标准还原电势。
在某些方面，总体上描述了电化学设备。图2根据某些实施方案描绘了作为一个这样的实例的电化学设备105。在一些情况下，电化学设备可以被配置为执行本文所述的方法。
在一些实施方案中，电化学设备包括包含负电极的腔室。例如，在一些实施方案中，电化学设备105包括腔室103和电化学电池100，电化学电池100包括负电极110。所述腔室可以被构造用于接收流体混合物。在一些情况下，电化学设备的腔室被配置成使得流体混合物可以进入腔室并且在一些情况下离开腔室。例如，在一些实施方案中，腔室包括流体入口和流体出口。再次参考图2，在一些实施方案中，电化学设备105包括腔室103，腔室103包括流体入口106和流体出口108。因此，本文所述的一种或更多种方法可以通过以下进行：使流体混合物101(例如，包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体)通过流体入口106流至腔室103中，从而将流体混合物的至少一部分暴露于电化学电池(例如，包括负电极110)。电化学电池可以配备有外部电路和电源(例如，与恒电势仪耦合)以允许施加电势差。电化学设备可以配置成使得流体混合物的至少一部分可以通过流体出口(例如，图2中的流体出口108)输送出腔室。在一些实施方案中，流体入口与流体混合物源(例如，包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的混合物源)流体连接。在一些实施方案中，流体出口与下游设备(例如，用于除去另外的路易斯酸气体的另外的电化学设备)流体连接以进行进一步处理。在一些实施方案中，电化学设备包括串联流体连接的复数个腔室(例如，每个都包括负电极)。
在一些实施方案中，电化学设备包括与负电极电连通的电活性物质。例如，再次参考图2，在一些实施方案中，电活性物质(未描绘)与负电极110电连通。该上下文中的电连通通常是指通过外层(电子/空穴转移)或内层(键断裂和/或键形成)机制进行电子转移反应的能力。在其中电活性物质与负电极电连通的一些实施方案中，电活性物质固定在负电极上。例如，电活性物质可以为在一些情况下通过复合层(例如，包含含碳材料如碳纳米管)固定在电极上的氧化还原活性聚合物的一部分。在其中电活性物质与负电极电连通的一些实施方案中，电活性物质存在于电化学电池的至少一部分中的传导介质中，并且可以与电极进行电子转移反应(直接或间接地)。例如，电活性物质可以存在(例如，溶解或悬浮)在电化学电池的传导液体中，并且能够足够接近负电极扩散，使得在跨越电化学电池施加电势差时，可以发生电子转移反应(例如，以将电活性物质还原成至少一个还原态)。
如上所述，在一些实施方案中，第一电活性物质固定在负电极上。这样的实施方案可以与另一些实施方案的那些相区别，在另一些实施方案中，电活性物质可以通过例如平流自由地从一个电极传输到另一个电极。固定在电极(例如，负电极)上的物质可以是在给定的一组条件下不能自由地从电极扩散离开或从电极分离的物质。电活性物质可以以多种方式固定在电极上。例如，在一些情况下，电活性物质可以通过键合(例如，通过共价键、离子键和/或分子内相互作用如静电力、范德华力、氢键等)至电极表面或键合至附着在电极上的物质或材料而固定在电极上。在一些实施方案中，电活性物质可以通过吸附到电极上而固定在电极上。在一些情况下，电活性物质可以通过聚合到电极上而固定在电极上。在某些情况下，电活性物质可以通过被包含在施加至或沉积至电极上的组合物(例如，涂层、复合层等)中而固定在电极上。在某些情况下，电活性物质(例如聚合物电活性材料或分子电活性材料)渗入微纤维或纳米纤维或碳纳米管的垫，使得电活性材料相对于垫被固定。垫可以为电解质和气体通路提供增强的表面积增强，以及为电导率提供扩展的网络。在一些实施方案中，电活性物质是与电极缔合的凝胶组合物的一部分(例如，作为沉积在电极上的层，作为渗入电极的孔的组合物，或作为至少部分包封电极的组件(例如电极的纤维或纳米管)的组合物)。这样的包含电活性物质的凝胶(例如，水凝胶、离子凝胶、有机凝胶等)可以在与电极缔合之前制备(例如，作为涂层施加以形成层)，或者凝胶可以在电极的存在下通过使电极与凝胶前体(例如，包含电活性物质的预聚物溶液)接触(例如，通过涂布或浸没)来制备，然后可以引发凝胶形成(例如，通过经由引入交联剂、自由基引发剂、加热和/或用电磁辐射(例如，紫外线辐射)照射进行的交联)。
在一些实施方案中，电化学设备的电化学还包括正电极。在一些但不一定是所有的实施方案中，电化学电池包括在负电极与正电极之间的隔离件。例如，参考图2，在一些实施方案中，电化学电池100包括在负电极110与任选的正电极120之间的任选的隔离件130。如本文所用，电化学电池的正电极是指在充电过程期间电子从其中除去的电极。例如，再次参考图2，当电化学电池100充电时(例如，通过由外部电源施加电势)，电子从正电极120通过并进入外部电路(未示出)。因此，在一些情况下，与正电极缔合的物质(如果存在的话)可以在电化学电池的充电过程期间被氧化成氧化态(电子数减少的状态)。
在一些实施方案中，与上述负电极电连通的电活性物质是第一电活性物质并且正电极包含第二电活性物质。第二电活性物质可以是与负电极的第一电活性物质不同的组合物，尽管在一些实施方案中，第二电活性物质与第一电活性物质相同。在一些实施方案中，正电极包括包含第二电活性物质的电活性层(有时称为互补电活性层)。互补电活性层可以是复合材料的形式，因此可以是互补电活性复合层。在运行时，该第二电活性物质可以用作用于使存在于负电极中的第一电活性物质还原的电子源。同样，在第一电活性物质的氧化期间，第二电活性物质可以用作电子阱(sink for electron)。以这种方式，正电极的电活性层可以被描述为“互补性的”。第二电活性物质可以包括例如氧化还原活性聚合物。在一些实施方案中，氧化还原活性聚合物为或包含含有二茂铁(例如，作为键合至聚合物主链的部分)的聚合物。在一些实施方案中，第二电活性物质包括茂金属(例如，二茂铁)。在一些这样的情况下，第二电活性物质包括含有茂金属的氧化还原活性聚合物。作为一个非限制性实施方案，氧化还原活性聚合物包括聚乙烯基二茂铁。作为另一个实例，第二电活性物质可以包括包含噻吩的聚合物。在一些这样的情况下，第二电活性物质包括聚(3-(4-氟苯基)噻吩)。在一些实施方案中，第二电活性物质包括吩噻嗪。作为另一个实例，在一些实施方案中，第二电活性物质包含(2，2，6，6-四甲基哌啶-1-基)氧基(称为“TEMPO”)或其衍生物(例如，包含任选的取代基)。在某些情况下，第二电活性物质包括这样的法拉第氧化还原物质：其具有比第一电活性物质的第一还原电势正至少0.5伏(V)、至少0.6V、至少0.8V、和/或高至1.0V、高至1.5V或更高的标准还原电势。
在一些实施方案中，第二电活性物质包含嵌入化合物。例如，第二电活性物质可以包含金属离子嵌入化合物。一个示例性类别的嵌入化合物包括金属氧化物。嵌入化合物可以包括碱金属离子如锂离子和/或钠离子的嵌入化合物。在一些实施方案中，嵌入化合物包括碱金属离子过渡金属氧化物(例如，锂钴氧化物、锂锰氧化物、锂镍氧化物、和/或包含钴、锰、和/或镍的锂氧化物)。在一些实施方案中，嵌入化合物包含碱金属过渡金属多氧阴离子(polyoxyanion)，例如锂过渡金属磷酸盐。用于正电极的合适的锂过渡金属磷酸盐的一个实例是磷酸铁锂(LiFePO4)。在一些实施方案中，在充电模式期间，呈碱金属离子嵌入化合物(例如，LiFePO4)形式的第二电活性物质的氧化提供用于驱动第一电活性物质的还原的电子源，同时释放碱金属离子(例如锂离子)，它可以朝向负电极穿梭通过电解质(例如，在隔离件(当存在时)之上或之内)以维持电荷平衡并完成电化学电路。相反，在放电模式期间，呈碱金属离子嵌入化合物形式的第二电活性物质的还原为来自第一电活性物质的氧化的电子提供了阱，同时碱金属离子(例如，锂离子)可以从靠近负电极的区域朝向正电极穿梭通过电解质(例如，在隔离件(当存在时)之上或之内)，在正电极中碱金属离子可以嵌入到嵌入化合物中并维持电荷平衡。
正电极的互补电活性复合层可以包括电活性物质和另外的材料(例如，含碳材料)的经固定的聚合物复合材料。含碳材料的一些实例包括碳纳米管(例如，单壁碳纳米管、多壁碳纳米管)、炭黑、科琴黑(KetjenBlack)、炭黑Super P或石墨烯。其他材料也是可能的。在某些情况下，第二电活性物质可以通过包含在施加至或沉积至正电极上的组合物(例如，涂层、复合层等)中而固定在正电极上。在某些情况下，第二电活性物质(例如，聚合物电活性材料或分子电活性材料)渗入与正电极缔合的微纤维、纳米纤维、或碳纳米管的垫，使得第二电活性物质相对于正电极的垫被固定。相对于第一电活性物质，第二电活性物质也可以以如上所述的相同或相似的方式成为与正电极缔合的凝胶的一部分。
根据一个或更多个实施方案，正电极的电活性复合层可以具有特定重量比的电活性材料与含碳材料。可以选择重量比以促进每质量电活性材料的高电子电流。在一些实施方案中，用于互补电活性复合层的电活性材料的质量与含碳材料的质量的重量比可以为1比2至2比1。在一些实施方案中，它可以是1比1。其他比例也是可能的。
隔离件可以用作保护层，所述保护层可以防止各电极处的相应电化学反应彼此干扰。隔离件还可以帮助在电化学电池内将负电极和正电极彼此电隔离和/或与其他组件电隔离以防止短路。在一些实施方案中，电化学电池包含传导介质并且隔离件包含至少一部分传导介质(例如，传导液体)。受益于本公开内容，普通技术人员将能够选择合适的隔离件。隔离件可以包括多孔结构。在一些情况下，隔离件为或包含多孔固体材料。在一些实施方案中，隔离件为或包括膜。隔离件的膜可以由合适的材料制成。例如，隔离件的膜可以为或包括塑料膜。塑料膜的一些非限制性实例包括包含碳酸锂、或氢氧化钾、或过氧化钠-钾分散在其中的聚酰胺、聚烯烃树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、或丙烯酸类树脂。用于隔离件的材料可以包括纤维素膜、聚合物材料、或聚合物-陶瓷复合材料。隔离件的另外的实例包括聚偏二氟乙烯(PVDF)隔离件、PVDF-氧化铝隔离件、或Celgard。
在本公开内容的上下文中，传导介质被理解为具有足够的离子传导率以支持电化学电池的运行(例如，通过使离子在电化学电池的电极之间穿梭以维持电荷平衡)的固体或流体介质。如上所述，传导介质可以为液体或固体电解质。在一些实施方案中，传导介质是或包含非挥发性液体。在一些这样的情况下，传导介质是或包含室温离子液体例如1-丁基-3-甲基咪唑
双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺([Bmim][TF2N])。应理解，虽然传导介质可以传输离子，但传导介质通常不是导电的(例如，金属导电的)，当与负电极和正电极接触时能够使电化学电池短路。
在一些情况下，隔离件包含传导液体，该传导液体用作传导介质。在一些实施方案中，隔离件至少部分(或完全)浸有导电液体。例如，隔离件可以在进行与导电液体有关的浸没、涂覆、浸渍或其他方式时吸收一定量的导电液体。在隔离件是多孔的一些这样的情况下，隔离件的一些孔或全部孔(在隔离件的内部和/或靠近隔离件的表面)可变为至少部分地被导电液体填充。在一些实施方案中，隔离件经导电液体饱和。经导电液体饱和的隔离件通常是指在室温(23℃)和环境压力下包含能够容纳在隔离件体积内的最大量的导电液体的隔离件。在一些实施方案中，电化学电池可以设置为没有导电液体存在于隔离件中，但隔离件在其投入运行以进行气体分离过程时能够包含导电液体。隔离件能够包含导电液体的一种方式是通过具有相对高的孔隙率和/或包含能够吸收导电液体和/或被导电液体润湿的材料。
如上所述，在一些实施方案中，导电液体包括离子液体，例如室温离子液体(“roomtemperature ionic liquid，RTIL”)。RTIL电解质可以具有低挥发性(即，室温蒸气压小于10-5Pa，例如10-10Pa至10-5Pa)，从而降低电极干燥的风险，并允许气体流动通过电极而没有明显的蒸发损失或夹带损失。在一些实施方案中，离子液体基本上构成所有(例如，至少80体积％、至少90体积％、至少95体积％、至少98体积％、至少99体积％、至少99.9体积％)的导电液体。
离子液体可以包含阴离子组分和阳离子组分。离子液体的阴离子可以包括但不限于：卤化物、硫酸根、磺酸根、碳酸根、碳酸氢根、磷酸根、硝酸根、硝酸根、乙酸根、PF6 -、BF4 -、三氟甲磺酸根、全氟丁基磺酸根、双(三氟甲磺酰基)酰胺、三氟乙酸根、七氟丁酸根、卤代铝酸根、三唑烷(triazolide)、和氨基酸衍生物(例如，氮上的质子被除去的脯氨酸)。离子液体的阳离子可以包括而不限于：咪唑
吡啶
吡咯烷
磷
铵、锍、噻唑
吡唑啉
(pyrazolium)、哌啶
三唑
吡唑啉
唑
胍
和二烷基吗啉
在一些实施方案中，室温离子液体包含咪唑
作为阳离子组分。作为一个实例，在一些实施方案中，室温离子液体包含1-丁基-3-甲基咪唑
(“Bmim”)作为阳离子组分。在一些实施方案中，室温离子液体包含双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(“TF2N”)作为阴离子组分。在一些实施方案中，室温离子液体包含1-丁基-3-甲基咪唑
双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺([Bmim][TF2N])。
在一些实施方案中，室温离子液体包含1-丁基-3-甲基咪唑
四氟硼酸盐(BF4)([Bmim][BF4])。
在一些实施方案中，导电液体包括低挥发性电解质溶液。例如，导电液体可以包括具有相对高沸点的液体溶剂和溶解在其中的离子物质(例如溶解的支持电解质离子)。具有相对高沸点的液体溶剂可以是非水性的。例如，液体溶剂可以包括N，N-二甲基甲酰胺(DMF)等。
在一些情况下，电化学电池的一个或更多个电极包括电活性复合层。例如，在一些实施方案中，负电极包括电活性复合层(例如，主电活性复合层)。参考图5，根据某些实施方案，负电极110包括面向电化学电池500的正电极120的复合电活性复合层114。在某些情况下，正电极包括电活性复合层(例如，互补电活性复合层)。例如，在图5中，正电极120包括面向负电极110的电活性复合层124。正电极的电活性复合层也可以称为互补电活性复合层，因为其内的电活性物质用作负电极的电活性材料的电子阱或电子源。在一些情况下，电极(例如，负电极、正电极)的电活性复合层延伸穿过电极的整个厚度尺寸。例如，电活性复合层可以插入穿过电极的整个厚度。然而，在一些实施方案中，电极的电活性复合层不延伸穿过电极的整个厚度尺寸。在一些这样的情况下，电活性复合层插入穿过电极的一些但不是整个的厚度。在某些情况下，电活性复合层为电极的另外的组件(例如，集电器、气体可渗透层等)的表面上的涂层。
在一些实施方案中，电极的电活性物质(例如，负电极的第一电活性物质、正电极的第二电活性物质)是电活性复合层的一部分。例如，在图5中，根据一些实施方案，电活性复合层114包含本文所述的第一电活性物质。类似地，在一些实施方案中，电活性复合层124包含第二电活性物质(例如，聚乙烯基二茂铁)。
除了电活性物质之外，负电极的电活性复合层还可以包含含碳材料。合适材料的一些实例包括但不限于碳纳米管(例如，单壁碳纳米管、多壁碳纳米管)、炭黑、科琴黑、炭黑Super P、石墨烯、或其组合。其他实例还包括通过嵌入、接枝、化学气相沉积(chemicalvapor deposition，CVD)或其他方式将电活性物质(例如，呈聚合物形式、分子形式或其他形式)固定和/或涂覆到微纤维、纳米纤维或碳纳米管的垫中/上。
根据一个或更多个实施方案，负电极的电活性复合层可以具有特定重量比的电活性物质与含碳材料。可以选择重量比以促进每质量电活性材料的高电子电流。在一些实施方案中，电活性材料的质量与含碳材料的质量的重量比可以为1比1至1比10。在一些实施方案中，它可以是1比3。其他比例也是可能的。
负电极还可以包括气体可渗透层。气体可渗透层(其也可称为基底层)可以靠近电活性复合层，并相对于电化学电池面朝外。在一些实施方案中，气体可渗透层与第一电活性物质接触。在一些这样的情况下，气体可渗透层与第一电活性物质直接接触，而在另一些这样的情况下，气体可渗透层与第一电活性物质间接接触。应当理解，当一个部分(例如，层)在另一个部分“上”或与另一个部分“接触”时，它可以直接在该另一个部分上，或者也可以存在中间部分(例如，层)(在这种情况下，该一个部分被理解为“间接在”另一个部分上或与另一个部分“间接接触”)。一个部分“直接在”另一个部分上、与另一个部分“直接接触”意指不存在中间部分。还应理解，当一个部分被称为在另一个部分“上”或与另一个部分“接触”时，它可以覆盖该另一个部分的整个部分或一部分。在一些实施方案中，气体可渗透层与负电极的电活性复合层接触(例如，直接接触或间接接触)。
呈气流形式的流体混合物(例如，包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体)可以扩散通过气体可渗透层以与电活性复合层接触。气体可渗透层可以包含导电固体材料并用作电池内的集电器。
气体可渗透层可以包含多孔材料。在一些实施方案中，气体可渗透层具有例如大于或等于60％、大于或等于70％、大于或等于75％、大于或等于80％、或更大的孔隙率。在一些实施方案中，气体可渗透层具有小于或等于85％、小于或等于90％、或更高的孔隙率。这些范围的组合是可能的。例如，在一些实施方案中，负电极的气体可渗透层具有大于或等于60％且小于或等于90％的孔隙率。其他孔隙度也是可能的。用于气体可渗透层的合适材料的一些实例包括但不限于碳纸(经处理的、经TEFLON处理的、或未经处理的)、碳布、和非织造碳垫。也可以使用其他材料。
虽然在一些实施方案中电化学电池包括单个负电极，但在另一些实施方案中电化学电池包括多于一个负电极。例如，在一些实施方案中，本文所述的负电极为第一负电极，并且电化学电池包括第二负电极。正电极可以在第一负电极与第二负电极之间。第二负电极还可以包含第一电活性物质。第二负电极在配置和组成方面可以与第一负电极相同。在一些实施方案中，电化学电池包括多于或等于1个负电极、多于或等于2个负电极、多于或等于3个负电极、多于或等于5个负电极、多于或等于10个负电极、和/或多至15个负电极、多至20个负电极、多至50个负电极，或更多。
虽然在一些实施方案中电化学电池包括单个隔离件(例如，在负电极与正电极之间)，但在另一些实施方案中，电化学电池包括多于一个隔离件。例如，在一些实施方案中，本文所述的隔离件为第一隔离件，并且电化学电池包括第二隔离件。在其中存在第二负电极的一些实施方案中，第二隔离件可以在正电极与第二负电极之间。第二隔离件在配置和组成方面可以与第一隔离件相同。在某些情况下，第二隔离件能够包含导电液体(例如，经导电液体饱和)。在一些实施方案中，电化学电池包括多于或等于1个隔离件、多于或等于2个隔离件、多于或等于3个隔离件、多于或等于5个隔离件、多于或等于10个隔离件、和/或多至15个隔离件、多至20个隔离件、多至50个隔离件、或更多。在一些情况下，每个隔离件在相应的负电极与正电极之间。
在其中正电极在其任一侧都具有负电极(例如，第一负电极和第二负电极)的电化学电池的一些实施方案中，正电极包含面向每个负电极的第二电活性物质。在一些这样的实施方案中，正电极包括各自面向负电极中的一者的两个互补电活性复合层。
正电极还可以包括靠近一个或更多个电活性复合层或者在一个或更多个电活性复合层之间定位的基底层。基底层可以与一个或更多个电活性复合层直接接触或间接接触。正电极的基底层可以包含与负电极的基底层(当存在时)的材料相同或不同的材料。例如，基底层可以包括例如碳纸(经处理的、经TEFLON处理的、或未经处理的)、碳布或非织造碳垫的材料。在一些实施方案中，基底可以包括垫，垫包括例如碳纳米管、微纤维、纳米纤维、或其组合。其他材料也是可能的。正电极的基底层可以包含导电材料并用作电池内的集电器。在一些实施方案中，基底包括金属和/或金属合金。例如，基底可以包括金属和/或金属合金箔(例如，具有小于或等于200微米、小于或等于100微米、小于或等于10微米、和/或低至1微米或更小的相对小的厚度)。合适的箔的一些实例可以包括但不限于铝箔、钛箔。作为一个具体实例，在一些实施方案中，正电极包括在面向第一负电极的第一互补电活性复合层与面向第二负电极的第二互补电活性复合层之间的基底。在这种情况下，如果延伸远离电活性复合层主体的线可以与特定电极(例如，负电极)相交而不穿过基底，则正电极的电活性复合层可以面向该电极。当一个物体(例如，电活性复合层)与另一个物体接触时，或者当一个或更多个中间材料位于表面与另一个物体之间时，该物体可以面向另一个物体。例如，面向彼此的两个物体可以接触或者在它们之间可以包括一个或更多个中间材料(例如，隔离件)。
图6描绘了根据一些但不一定是所有实施方案并且具有一个或更多个上述组件的电化学电池的一个实例的示意性截面图。电化学电池600包括在两个负电极110之间的正电极120。隔离件130将正电极120和负电极110隔开。每一个负电极110包括：任选的气体可渗透层112，其远离电池100的中心而定位；和任选的主电活性复合层114，其面向正电极120。在一些实施方案中，正电极120包括基底层122和其上的两个互补电活性复合层124。电化学电池100的不同组件可以具有在本公开内容通篇描述的某些特性，例如，包括上述的电极材料(例如，电活性物质)。两个面朝外的负电极110的配置，例如如图2所示，与包括单个负电极和单个正电极的电化学电池相比可以在一些情况下提供使暴露于气体的气体吸收面积加倍的优点。电化学设备可以以多种形式中的任一者来提供，这取决于期望的应用和/或流体混合物的性质。电化学设备可以被配置为从气体混合物中电化学地捕获和/或分离路易斯酸气体。在一些这样的情况下，电化学设备包括具有能够至少部分地被气态流体混合物填充的气态或真空顶部空间的腔室。在一些这样的实施方案中，腔室的流体入口与气体混合物的来源和用于使气体混合物被输送的一个或更多个组件(例如泵或真空和相关的阀门)流体连接。
在一些实施方案中，电化学设备被配置为从液体混合物中电化学地捕获和/或分离路易斯酸气体。在一些这样的情况下，电化学设备包括能够至少部分地用溶液填充的腔室。在某些情况下，包括腔室和电化学电池的电化学设备被配置为类似于氧化还原液流电池的电化学设备，其中流动的液体溶液中的一者在运行期间通过腔室的流体入口进入并且通过流体出口离开。在某些实施方案中，与负电极流体接触的腔室的一部分与吸收剂材料流体连接。作为一个非限制性实例，腔室可以与吸收塔流体连接。然而，在一些实施方案中，电化学设备被配置为使得第一路易斯酸气体直接在负电极处被捕获(例如，通过在施加电势差期间和/或之后与电活性物质结合)。
在一些实施方案中，电化学电池被配置为固态电化学电池系统。在一些这样的情况下，电活性物质可以固定在负电极的至少一部分上，如上所述。
电化学设备可以配置为气体分离系统。根据一个或更多个实施方案，如本文所述的一个或更多个电化学电池(例如，被配置用于选择性地除去路易斯酸气体)可以并入到气体分离系统中。根据本文所述的任何实施方案，气体分离系统可以包括与气体入口和气体出口流体连通的复数个电化学电池。电化学电池以并联或串联电连接，如下面更详细描述的。
气体分离系统可以包括将各电化学电池的负电极(或第一负电极和第二负电极(当两者都存在时))和正电极连接到电源的外部电路，所述电源被配置为跨越各电化学电池的负电极和正电极施加电势差。
图7A示出了根据一个或更多个实施方案的在充电模式期间进行气体分离过程的示例性系统的示意图。在图7A中，根据某些实施方案，跨越各电化学电池700施加电势差，使得各电化学电池以充电模式运行。根据某些实施方案，在充电模式中，负电极710中的第一电活性物质的氧化还原反应(例如，还原)增加了电活性物质与路易斯酸气体790之间的亲和力。包含路易斯酸气体790的气体混合物775被引入系统并靠近负电极710通过。根据某些实施方案，增加的亲和力引起路易斯酸气体(例如，SO2)与电活性材料键合。以这种方式，路易斯酸气体的至少一部分从气体混合物775中分离以产生经处理的气体混合物785。
在一些实施方案中，气体分离系统包括复数个电化学电池，以及流场在复数个电化学电池中的至少一些(例如，一些或全部)之间。作为一个举例说明性实例，图7B示出了根据一个或更多个实施方案的示例性系统的示意图，所述系统包括分隔电化学电池570的流场711，所述电化学电池570在充电模式期间进行气体分离过程。应当理解，当第一对象在第二对象与第三对象之间时，其可以在第一对象与第二对象的整体之间，或者在第一对象与第二对象的一部分之间。在一些实施方案中，两个相邻电化学电池之间的流场与各相邻电化学电池直接相邻，使得在流场与电化学电池之间没有中间结构/层。然而，在一些实施方案中，两个相邻电化学电池之间的流场与一个或两个电池间接相邻，使得存在一个或更多个中间结构/层，例如导电固体。
流场通常是指被配置为限定流体可以流过的路径的固体结构。在一些情况下，流场包括限定用于流体流动的孔或通道同时允许流体暴露于相邻结构的固体制品。用于流场的固体制品的合适材料包括但不限于聚合物材料(例如塑料)、金属/金属合金、石墨、复合材料(例如石墨-聚合物复合材料)。在一些实施方案中，流场包括包含具有图案化通道的一个或更多个表面的固体制品。可以选择通道图案以跨越流场的一个或更多个维度有效地分配流体(例如，气体)。合适的通道图案包括但不限于蛇形的、平行的和叉指形的。图7C、7D和7E示出了根据某些实施方案的各自具有如箭头所示的流体流动方向的具有蛇形图案的流场711a、具有平行图案的流场711b、和具有叉指形图案的流场711c的面的侧视图示意图。流场通道图案可以例如通过蚀刻、切割、冲压、模制、研磨或增材制造来形成。在一些实施方案中，流场包括多孔固体。例如，流场可以包括碳纤维纸、毡、或布、或金属泡沫。
在图7B中，来自流体混合物775的路易斯酸气体790经由流场711(例如，经由未示出的通道)沿着电极710的面区域分布。在本公开内容的上下文中已经认识到，流场可以帮助在电极上相对均匀地分布气体混合物并且可以帮助控制气体暴露于电极的持续时间(例如，以促进目标气体的有效捕获)。通过利用较大百分比的电极区域(例如，包括处于至少一个还原态下的电活性物质)来结合目标气体，气体的相对均匀分布可以提高效率。在一些实施方案中，在充电过程的至少一部分期间，气体混合物的跨越系统中负电极面区域的至少25％、至少50％、至少75％、至少90％、至少95％、或更多的流量为充电过程期间跨越整个负电极面区域的平均流量的50％以内、25％以内、15％以内、10％以内、5％以内、2％以内、1％以内或更少。
如上所述，气体分离系统可以包括并联或串联电连接的复数个电化学电池。受益于本公开内容，本领域普通技术人员通常将理解如何将电化学电池电连接以形成电路。这样的连接可以通过建立用于电子在电化学电池的电极之间流动的导电通路(换言之，建立电极之间的电耦合)来实现。在一些情况下，导电通路可以通过一种或更多种导电固体材料(例如，导电金属、合金、聚合物、复合材料、含碳材料、或其组合)建立。例如，导电通路可以通过对电化学电池的电极进行布线而建立。电化学电池可以具有上述配置中的任一者。例如，在一些实施方案中，系统中的一些或所有的电化学电池具有单个负电极(例如，包含第一电活性物质)、单个正电极(例如，包含第二电活性物质)、和在第一正电极与第二正电极之间的任选的隔离件。图8A示出了根据某些实施方案的在一个这样的系统1000中的电化学电池1100的布置的示意图，其中各电化学电池1100顺序地包括负电极1010、任选的隔离件1020、和正电极1030。可以将包含目标气体的气体混合物1075引入系统，使得气体混合物1075靠近第一电化学电池110的负电极1010和相邻的第二电化学电池1100的正电极1030通过。尽管图8A示出了三个电化学电池1100，但应当理解，在气体分离系统中可以采用多个合适数量的电化学电池中的任一者(例如，并联或串联电连接)，这取决于所需要的特定应用的要求。
在另一些实施方案中，气体分离系统中的一些或所有的电化学电池包括正电极(例如，包含第二电活性物质)、第一负电极(例如，包含第一电活性物质)、第二负电极(例如，包含第一电活性物质)、在第一负电极与正电极之间的第一隔离件、以及在正电极与第二负电极之间的第二隔离件。这样的电化学电池的实例示于图6和图7A至7B中。
图8B示出了根据某些实施方案在系统1000中的复数个电化学电池1100并联电连接的配置的示意图。在并联配置中，各负电极1010电耦合至(例如，电源的)第一端，并且各正电极1030电耦合至(例如，电源的)第二端。例如，在图8B中，根据某些实施方案，各负电极1010通过布线115电耦合至电源的第一端，并且各正电极1030通过布线116电耦合至电源的第二端。
图8C示出了根据某些实施方案在系统1000中的复数个电化学电池11000串联电连接的配置的示意图。在串联配置中，系统的第一电化学电池的正电极与第二电化学电池的负电极电连接。例如，在图8B中，根据某些实施方案，第一电化学电池1100a的负电极1010通过布线1017与第二电化学电池1100b的正电极1030电连接，第二电化学电池1100b的负电极1010通过布线1018与第三电化学电池1100c的正电极1030电连接。此外，根据某些实施方案，第一电化学电池1100a的正电极1030通过布线114与电源的第一端电耦合，第三电化学电池1100a的负电极1030通过布线119与电源的第二端电耦合。
在本公开内容的上下文中已经确定，包括复数个串联电连接的电化学电池的气体分离系统的某些配置可以促进相对有效的电荷传输/和/或气体传输。例如，在一些实施方案中，电化学电池之间的导电材料可以建立导电通路，而不是使用外部布线。例如，气体分离系统可以包括串联电连接的第一电化学电池和第二电化学电池，其中电连接通过第一电化学电池与第二电化学电池之间的一个或更多个导电材料建立。多种合适的导电材料中的任一者可以位于电化学电池之间以在例如第一电化学电池的负电极与第二电化学电池的正电极之间建立电连接。例如，导电材料可以为导电固体。导电固体可以包括例如金属和/或金属合金(例如，钢、银金属/合金、铜金属/合金、铝金属/合金、钛金属/合金、镍金属/合金)。在一些实施方案中，导电固体包含含碳材料(例如，石墨、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、炭黑、碳垫(例如，碳纳米管垫)、科琴黑、炭黑Super P、石墨烯等)。在一些实施方案中，含碳材料是如本文别处所述的多孔含碳材料。在一些实施方案中，导电固体包括导电固体与黏合剂树脂的复合材料。在一些实施方案中，电化学电池之间的导电固体包括导电聚合物材料。
在一些但不一定是所有的实施方案中，电化学电池之间的导电材料包括双极板。应当理解，在本公开内容的上下文中，板不必一定是平的。双极板是本领域技术人员已知的并且通常用于除气体分离之外的领域，例如燃料电池。双极板可以配置为将接触正电极的流体(例如气体)与接触负电极的流体隔开。双极板可以包括导电固体，例如钢、钛、或石墨。
在一些实施方案中，(例如，串联连接的)复数个电化学电池中的至少一些被流场隔开。如上所述，将流场定位在相邻电化学电池之间可以促进有益的气体分布和气体与电极之间的相对有效的相互作用(例如，用于结合)。在一些实施方案中，如上所述的双极板包括流场(例如，通过在板的一个或两个面中蚀刻流体通路)，然而，在另一些实施方案中使用不同的流场作为包含流场的双极板的替代或补充。
图9示出了根据某些实施方案的示例性气体分离系统1000的示意图，所述气体分离系统1000包括通过在电池之间的一个或更多个导电材料串联电连接的电化学电池1100。在图9中，系统1000包括呈双极板1012和肋(rib)1014形式的导电固体材料。气体分离系统中的肋可以由上述导电固体材料中的任一者制成。在图9中所示的实施方案中，第一电化学电池1100a通过双极板1012和肋1014与第二电化学电池1100b隔开。双极板1012和肋1014可以直接与第一电化学电池1100a的负电极1010和第二电化学电池1100b的正电极1030相邻，从而建立串联连接的导电通路。系统中的其他电化学电池可以类似地进行电连接。尽管图9示出了双极板和肋，但这样的描述是非限制性的，并且其他配置(例如，没有双极板、没有肋等)是可能的。图9还示出了根据某些实施方案的隔开电化学电池1100的任选流场1011。在一些实施方案中，一种或更多种组件(例如，导电固体，例如肋)可以在相邻电化学电池的负电极与正电极之间建立通道。例如，图9中的肋1014可以具有这样的尺寸：所述尺寸使得通道1013建立用于使气体(例如，气体混合物)在电化学电池1011之间流动并与电极相互作用的通路。例如，根据某些实施方案，气体混合物1075可以通过通道1013、通过流场1011、以及通过第一电化学电池1100a与第二电化学电池1100b之间。
与其他配置相比，在上述某些实施方案中的电流的流动可能遇到较小的电阻。例如，在其中电化学电池通过电化学电池堆叠体(stack)中的至少一些之间的导电材料串联连接的一些实施方案中，电流可以在垂直于堆叠体的方向上流动。图9示出了一个这样的实例，其中电流可以在垂直于电化学电池1100的方向x上流动，而气体混合物1075可以在平行于电化学电池1100的方向上流动。在图9中，电流行进通过的通路相对短并且由双极板1012和肋1014的厚度确定。在一些实施方案中，电化学电池之间的一个或更多个导电固体的厚度小于或等于10mm、小于或等于5mm、小于或等于2mm、小于或等于1mm、和/或低至0.5mm、低至0.2mm、低至0.1mm、或更低。相反，在其中电化学电池通过外部布线并联电连接或串联电连接的实施方案中，电流必须流过直至电极(例如，电极的集电器)的整个高度和/或长度并流过电极极耳(electrode tab)以到达外部布线。这样的高度和/或长度可以为例如至少1cm、至少2cm、至少5cm、至少10cm、和/或高至20cm、高至50cm、高至100cm、或者更高。在这样的实施方案中，电流行进的更大距离通常导致更大的总电池电阻，这可能会降低用于本文所述的至少部分气体分离的方法的电荷传输和/或能量效率。
在一些实施方案中，负电极或其部分(例如，负电极的电活性复合层(当存在时))能够以特定速率吸收气体(例如，SO2、CO2)。例如，在一些实施方案中，负电极或其部分(例如，负电极的电活性复合层(当存在时))具有至少0.0001mol/m2/秒、至少0.0002mol/m2/秒、至少0.0005mol/m2/秒、或更大的吸收容量速率。在一些实施方案中，负电极或其部分(例如，负电极的电活性复合层(当存在时))具有小于或等于0.001mol/m2/秒、小于或等于0.0008mol/m2/秒、小于或等于0.0005mol/m2/秒、或更小的吸收容量速率。在一些实施方案中，电活性复合层具有至少0.0001mol/m2/秒且小于或等于0.0005mol/m2/秒的吸收容量速率。其他的吸收容量速率也是可能的。
在一些实施方案中，负电极的电活性复合层可以具有特定的能够暴露于流体混合物(例如，气体混合物)的表面积，该表面积例如大于或等于5cm2、大于或等于8cm2、大于或等于10cm2、和/或高至10cm2、高至20cm2、高至50cm2、高至1m2、或更大。其他值也是可能的。
在一些实施方案中，本文所述的电极(例如，负电极、正电极)的至少部分或全部包含多孔材料。多孔电极可以由任何合适的材料制成和/或可以包括任何合适的形状或尺寸。在一个非限制性实施方案中，电极包含多孔含碳材料。术语含碳材料在本领域中以其通常的含义给出，并且是指导电的包含碳或石墨的材料。含碳材料的非限制性实例包括碳纳米管、碳纤维(例如，碳纳米纤维)、碳垫(例如，碳纳米管垫)和/或石墨。在一些这样的实施方案中，电极可以部分地由含碳材料制成，或者含碳材料可以沉积在位于下面的材料上。位于下面的材料通常包括导电材料，例如金属和/或金属合金固体(例如钢、铜、铝等)。本文描述了导电材料的其他非限制性实例。
在一些实施方案中，电极(例如，负电极、正电极)是多孔的。电极的孔隙率可以作为电极中的空隙空间的百分比或分数测量。电极的孔隙率百分比可以使用本领域普通技术人员已知的技术测量，例如使用体积/密度法、水饱和法、水蒸发法、汞侵入孔隙率测定法、和氮气吸附法来测量。在一些实施方案中，电极是至少10％多孔的、至少20％多孔的、至少30％多孔的、至少40％多孔的、至少50％多孔的、至少60％多孔的、至少70％多孔的或更多。在一些实施方案中，电极为最多90％多孔的、最多85％多孔的、最多80％多孔的、最多70％多孔的、最多50％多孔的、最多30％多孔的、最多20％多孔的、最多10％多孔的或更少。这些范围的组合是可能的。例如，电极可以为至少10％多孔的且最多90％多孔的。孔可以为开放的孔(例如，孔的至少一部分对电极的外表面和/或其他孔是开放的)。在一些情况下，仅电极的一部分是多孔的。例如，在一些情况下，仅电极的单个表面是多孔的。作为另一个实例，在一些情况下，电极的外表面是多孔的，而电极的内芯是基本上非多孔的(例如，小于或等于20％、小于或等于10％多孔的、小于或等于5％多孔的、小于或等于1％或更少)。在一个具体实施方案中，整个电极是基本上多孔的。
在一些实施方案中，电化学电池具有特定的循环时间。电化学电池的循环时间通常是指进行一个充电模式和一个放电模式的时间段。循环时间可以为至少60秒、至少100秒、至少300秒、至少500秒、至少1000秒、或更长。在一些实施方案中，循环时间小于或等于3600秒、小于或等于2400秒、小于或等于1800秒或更短。这些范围的组合是可能的。例如，在一些实施方案中，循环时间为至少60秒且小于或等于3600秒、或者至少300秒且小于或等于1800秒。
根据一些实施方案，电化学电池及其组件具有特定的厚度，这取决于期望的应用(例如，通气机空气的气体分离、直接空气捕获等)。在一些实施方案中，电化学电池具有至少10μm、至少20μm、至少50μm、至少100μm、至少200μm、至少300μm、至少500μm、或更大的厚度。在一些实施方案中，电化学电池具有小于或等于750μm、小于或等于600μm、小于或等于500μm、小于或等于300μm、或更小的厚度。这些范围的组合是可能的。例如，在一些实施方案中，电化学电池具有至少200μm且小于或等于750μm的厚度。在一些实施方案中，电化学电池具有至少10μm且小于或等于750μm的厚度。
在一些实施方案中，负电极或正电极具有至少0.5μm、至少1μm、至少2μm、至少5μm、至少10μm、至少20μm、至少50μm、至少75μm、至少100μm或更大的厚度。在一些实施方案中，负电极或正电极具有小于或等于200μm、小于或等于150μm、小于或等于100μm、或更小的厚度。这些范围的组合是可能的。例如，在一些实施方案中，负电极或正电极具有至少50μm且小于或等于200μm的厚度。在一些实施方案中，在一些实施方案中，负电极或正电极具有至少0.5μm且小于或等于200μm的厚度。
在一些实施方案中，负电极或正电极的电活性复合层具有至少10nm、至少20nm、至少40nm、至少0.1μm、至少0.2μm、至少0.5μm、至少1μm、至少2μm、至少5μm、至少10μm、至少50μm、至少100μm或更大的厚度。在一些实施方案中，负电极或正电极的电活性复合层具有小于或等于200μm、小于或等于150μm、小于或等于100μm、小于或等于50μm、小于或等于20μm、小于或等于10μm、小于或等于5μm、小于或等于2μm、小于或等于1μm、小于或等于0.5μm、小于或等于0.2μm、小于或等于0.1μm、或更小的厚度。这些范围的组合是可能的。例如，在一些实施方案中，负电极或正电极的电活性复合层具有大于或等于10μm且小于或等于200μm的厚度。在一些实施方案中，负电极或正电极的电活性复合层具有大于或等于10nm且小于或等于100nm、或者大于或等于50nm且小于或等于500nm的厚度。
系统的多种组件，例如电极(例如，负电极、正电极)、电源、电解质、隔离件、容器、电路、绝缘材料等，可以通过本领域普通技术人员根据多种组件中的任一种来制造。组件可以以生料或烧制状态来模制、机械加工、挤压、压制、等加压(isopress)、渗入、涂覆，或者通过任何其他合适的技术来形成。本领域的普通技术人员很容易知道用于形成本文的系统组件的技术。
本文所述的电极(例如，负电极、正电极)可以具有任何合适的尺寸或形状。形状的一些非限制性实例包括片、立方体、圆柱体、中空管、球体等。电极可以具有任何合适的尺寸，这取决于它们所用于的应用(例如，从通气空气中分离气体、直接空气捕获等)。另外地，电极可以包括将电极连接到另一电极、电源和/或另一电装置的装置。
系统的多种电组件可以通过用于连接的装置与至少一个另外的电组件处于电连通状态。用于连接的装置可以为允许电流动在第一组件与第二组件之间发生的任何材料。用于连接两个电组件的装置的一个非限制性实例是包含导电材料(例如，铜、银等)的导线。在一些情况下，该系统还可以包括两个或更多个组件(例如，导线和电极)之间的电连接器。在一些情况下，可以选择导线、电连接器、或其他用于连接的装置，使得材料的电阻为低的。在一些情况下，电阻可以基本上小于电极、电解质、和/或系统的其他组件的电阻。
在一些实施方案中，本文所述的方法和电化学设备可以如以下中描述的一种或更多种系统来执行和配置：标题为“Electrochemical Capture of Lewis Acid Gases”的于2016年10月26日作为申请第15/335,258号提交的于2017年4月27日公开的美国专利公开第2017/0113182号，出于所有目的，其通过引用整体并入本文。
2019年8月28日提交的标题为“Electrochemically Mediated Acid Gas Removaland Concentration”的美国临时申请第62/892,975号和2020年3月12日提交的标题为“Electrochemical Capture of Lewis Acid Gases”的美国临时申请第62/988,851号各自出于所有目的通过引用整体并入本文。
以下实施例旨在举例说明本发明的某些实施方案，但并不例示本发明的全部范围。
实施例1
该实施例描述了如通过循环伏安法研究的多种电活性物质与路易斯酸气体的反应性。
图10A示出了1，4-萘醌(p-NQ)在经N2、CO2或SO2饱和的包含0.1M四正丁基六氟磷酸铵([nBu4][PF6])的无水N，N-二甲基甲酰胺溶液中的循环伏安法。以100mV/秒的扫描速率获得循环伏安图。图10A中的循环伏安法在N2和CO2下示出了预期的行为，其中相对于在N2下，在CO2下第二(更负的)还原波正移，而第一还原波没有移动。然而，在SO2的存在下，第一(不太负的)还原波以及第二还原波正移。这表明了半醌与强路易斯酸SO2的强缔合，其导致了能斯特电势的大位移。还原的1，4-萘醌与SO2的复合物的解离氧化峰比CO2复合物的解离氧化峰在更正的电势处出现，这进一步证实了SO2与半醌以及醌二价阴离子的强缔合。循环伏安图的差异表明了还原的1，4-萘醌与SO2和CO2之间的缔合强度不同。
这些循环伏安法结果表明，某些电活性物质例如1，4-萘醌与SO2和CO2二者均强烈反应，使得两种路易斯酸气体的混合物的暴露将导致以受限的选择性至没有选择性结合。这样的选择性的缺乏在某些应用中可能是有问题的，所述应用例如用于二氧化碳捕获的电化学流动系统，其中气体混合物包含CO2和SO2二者，而SO2捕获将降低CO2捕获效率。1，4-萘醌与CO2和SO2缔合强度的差异表明，在用于从工业废气(其中硫氧化物以1,000ppm至10,000ppm的浓度存在)中进行碳捕获的流动系统中，醌的“中毒”是很有可能的。认为这主要是由于氧化电势的差异，其中在醌的还原和其与CO2的复合物的氧化之间的差附近的电势差下运行的电化学电池将无法提供足够的能量以使醌-SO2复合物解离。这导致复合物的积累和随后的对于CO2的系统容量的降低。
认识到这种选择性缺乏可以通过引入电化学脱硫步骤来克服，所述电化学脱硫步骤在电化学碳捕获步骤之前从气体混合物(例如烟道气)中除去硫的氧化物。这样的电化学脱硫步骤将涉及确定用于选择性捕获二氧化硫(或其他路易斯酸气体)同时允许二氧化碳捕获可忽略不计的电活性物质和/或条件。为此，还认识到，类似的流动系统可以设计成具有这样的电活性物质(例如醌)：其在还原时在氧上具有较低电子密度以产生比1，4-萘醌相对更弱的碱。
这是通过2，3-二氰基-1，4-萘醌(DCNQ)完成的。图10B示出了DCNQ在经N2、CO2或SO2饱和的包含0.1M[nBu4][PF6]的无水N，N-二甲基甲酰胺溶液中的循环伏安法。以100mV/秒的扫描速率获得循环伏安图。图10B中的循环伏安法示出了在CO2下的行为与在N2下的行为没有不同，其中仅二价阴离子(在第二还原时形成)与CO2较弱地反应。这种弱相互作用通过第二还原波的轻微正移和非常小的氧化解离峰的出现得以证明。然而，DCNQ与SO2的相互作用非常强，结论由图10B中两个还原波的正移和极大正移的解离氧化峰的出现支持。这些结果表明，某些电活性物质(例如，具有某些取代基)具有还原态，在所述还原态下，它们能够与第一路易斯酸气体(例如，SO2)反应，但针对所述还原态，与第二路易斯酸气体(例如，CO2)的反应在热力学上不是有利的。
实施例2
该实施例描述了多种电活性物质与路易斯酸在离子液体(ionic liquid，IL)中的反应。
通过热重分析(TGA)研究了DCNQ和p-NQ与SO2的反应。使用两当量的二茂钴还原DCNQ以得到DCNQ2-二价阴离子在[bmim][TF2N]中的0.3M溶液。将其与p-NQ2-二价阴离子和NQ·-半醌离子液体(IL)溶液一起在TGA中使用，其中气流为30mL分钟-1的1％SO2(剩余部分为N2)。图11A示出了DCNQ2-、NQ·-和NQ2-在1％SO2下的TGA分析。图11B示出了DCNQ2-、NQ·-和NQ2-在N2中的TGA分析。从图11A和图11B中可以看出，NQ2-和DCNQ2-均与SO2有效地且化学计量地反应以形成在纯N2流下不释放的稳定的双加成物。如所预期的，NQ·-对SO2的容量小于NQ2-，但在纯N2下在其释放CO2的相同速率下未释放SO2，因为NQ·-的pKa与DCNQ2-的pKa相似，其足够高以与具有低pKa的强路易斯酸如SO2反应。这导致在更强的路易斯碱NQ2-的磺化时形成更强的键，其保持在高温(高至150℃)下对SO2的恒定容量并且在纯N2流下不释放SO2，如在图11C和11D中可以看出的。图11C示出了NQ2-在不同温度下吸收SO2的TGA测量。图11D示出了NQ2-在不同温度下对SO2的吸收释放的TGA测量。然而，DCNQ2-的较弱碱度导致了较弱的磺化以及随后的在较高温度下对SO2的较小的容量。图11E示出了DCNQ2-在不同温度下吸收SO2的TGA测量。图11F示出了DCNQ2-在不同温度下释放SO2的TGA测量。
认为，DCNQ2-和NQ2-的相对pKa至少部分解释了它们与CO2和SO2的反应程度，并且也是亲核的氧(酚盐)部分(其在醌的第一还原和第二还原时产生)上的电子密度调节的结果。因此，在可以进行连续分离的定制电化学系统中，可以使用具有精确调节的电子密度的电活性物质例如醌以选择性地与具有不同路易斯碱强度的不同亲电体反应。
除了醌分子上的电子密度调节(这直接影响电化学反应的热力学)之外，在本公开内容的上下文中还已经认识到，可以另外赋予亲核体通过空间位阻或亲和力产生的选择性。这可以通过在亲核中心周围附接多种基团来实现，以帮助一个目标的还原加成比其他目标更顺利。
图12A示出了在30℃下在100％CO2下用还原的DCNQ捕获CO2的TGA测量。图12B示出了表明当反应物被除去时CO2被释放的TGA测量结果。因此，还原的DCNQ与CO2可逆地反应，但与SO2不可逆地反应。
实施例3
该实施例描述了DCNQ的计算分析，以深入了解它们的电子结构和热力学特性，因为这些与它们与路易斯酸气体的反应性有关。
使用密度泛函理论方法计算了DCNQ的中性状态、单还原(半醌)状态和双还原(二价阴离子)状态。所有电子结构计算用Q-
5.1.1版进行。在B3LYP-D3(op)/6-31++G**理论水平下，用自旋不受限制的波函数以及具有优化的功率逼近校正的Grimme色散校正(来自Witte J，Mardirossian N，Neaton JB，Head-Gordon M.Assessing DFT-D3Damping Functions Across Widely Used Density Functionals：Can We Do Better？Journal of Chemical Theory and Computation.2017；13(5)：2043-2052，其出于所有目的通过引用整体并入本文)确定平衡结构。1，4-萘醌(Q)被视为中性单峰，其半醌阴离子(Q-)和CO2-加成物阴离子被视为-1双峰(QCO2-)，并且二价阴离子Q2-、单加成物Q(CO2)2-和双加成物Q(CO2)2 2-也被视为单峰。在用MMFF94力场优化之后，对使用
计算机程序构建的结构进行在气相和溶剂化环境(在SMD溶剂SCRF内)中的几何优化。进行系统旋转体搜索(systematic rotor search)以确定QCO2 -、QCO2 2-和Q(CO2)2 2-的低能级构象(low-lying conformer)。
通过从优化的复合物中减去优化的分离物质的总电子能来计算基态结合能，包括零点能量(zero point energy，ZPE)和热贡献和溶剂化贡献。平衡方案考虑了基组重叠误差(basis set superposition error，BSSE)。频率分析用于确认基态结构是势能表面最小的结构。
使用与Q-
连接的NBO v6.0包获得自然键轨道(Natural bond orbital，NBO)部分电荷和轨道特性，并在Q-
内执行第二代ALMO-EDA。还原电势通过由IsseAA，Gennaro A.Absolute Potential of the Standard Hydrogen Electrode and theProblem of Interconversion of Potentials in Different Solvents.Journal ofPhysical Chemistry B.2010；114(23)：7894-7899(其出于所有目的通过引用整体并入本文)建议的操作确定。对于还原电势计算，在溶剂SCRF(具有N，N-二甲基甲酰胺的参数)中优化结构，由费米-狄拉克统计(Fermi-Dirac statistics)在4.28V(被视为标准氢电极的绝对值)的情况下确定电子自由能，用来自Diggle JW，Parker AJ.Liquid junctionpotentials in electrochemical cells involving a dissimilar solventjunction.1974p.1617-1621(其出于所有目的通过引用整体并入本文)的数据调节接界电势。
图13A至13C示出了在还原时DCNQ的所计算的几何变化。在标准状态下计算DCNQ还原的标准还原电势，如下：
E0(vsAg+)＝E0(绝对)+E(SHE vs绝对)+E(SCE vs SHE)+E(DMF/H2O接界)+E(Ag+vsSCE)
其中SHE是标准氢电极参比，SCE是标准甘汞参比。DCNQ相对于Ag+的所计算的标准还原电势分别计算为-0.02和-1.52。用同样的方法，对第一还原和第二还原，1，4-萘醌相对于Ag+的还原电势分别为-1.27V和-2.48V。
还计算了DCNQ和1，4-萘醌的不同还原态的静电势(ESP)图。图14A示出了2，3-二氰基-1，4-萘醌(顶部)和1，4-萘醌(底部)在它们各自的中性状态下的ESP图。图14B示出了2，3-二氰基-1，4-萘醌(顶部)和1，4-萘醌(底部)在它们各自的半醌状态下的ESP图。图14C示出了2，3-二氰基-1，4-萘醌(顶部)和1，4-萘醌(底部)在它们各自的二价阴离子状态下的ESP图。在ESP图中，较深的阴影表示较高的电荷密度(较多地富电子或贫电子)，较浅的阴影表示较低的电荷密度(较少地富电子或贫电子)。如在图14A至14C可以看出的，在中性(图14A)和二价阴离子(图14C)状态下，DCNQ与1，4-萘醌之间的电荷分布相对相似。然而，图14B示出了在其半醌状态下的1，4-萘醌的氧部分比在其半醌状态下的DCNQ的氧部分具有显著更高的电子密度。认为腈取代基的吸电子效应从DCNQ的氧中拉动电子密度。进一步认为，DCNQ中电子密度的这种变化使其对路易斯酸的热力学反应性和/或动力学反应性更小(例如，使pKa变化)，并因此对某些路易斯酸更具选择性(例如，取决于它们的pKa)。所有图的比例相同(在范德华球体上成像)。
图15A至15D分别示出了CO2和SO2的所计算的几何形状和ESP图。
实施例4
该实施例描述了通过电活性物质的还原态从包含第一路易斯酸气体和第二不同的路易斯酸气体的流体混合物中选择性地除去一定量的第一路易斯酸气体。特别地，将包含SO2和CO2的气体混合物暴露于还原形式的DCNQ，使得从流体混合物中除去SO2的程度大于CO2。
气体分离实验采用包括填充有8.6g的1mm玻璃珠的硼硅酸盐玻璃管(12”长，.23”内直径)的填充床鼓泡柱设备。对鼓泡柱设备进行烘箱干燥并在各个端上用两个隔离物密封。将入口针插入柱底部，将出口针插入柱顶部。将柱用干燥的氮气冲洗10分钟以在柱内建立惰性气氛。使用Cole-Parmer质量流量控制器将所有气流以精确的流量施加至柱的入口。监测鼓泡柱设备的出口流的CO2和SO2气体浓度。图16示出了气体分离实验的示意图。
双还原的DCNQ物质2，3-二氰基萘醌二价阴离子(DCNQ2-)通过以下来制备：用钠(Na)金属处理2，3-二氰基萘醌(DCNQ)在四氢呋喃(THF)中的溶液，通过过滤除去残留金属，以及通过蒸发除去THF。用于制备DCNQ2-的反应方案在下面示出。
在气体捕获实验之前，柱设备填充有碳酸亚丙酯中的2.4mL 12mM 2，3-二氰基萘醌二价阴离子(DCNQ2-)溶液。填充操作在流动的氮气下进行以保持柱中的惰性气氛。在用DCNQ2-/碳酸亚丙酯溶液填充柱之后，以1mL/分钟的流量将干燥的氮气流引入至柱入口，以使系统平衡。然后将用于入口气体的质量流量控制器与1mL/分钟的SO2/CO2/N2气流(1摩尔百分比(mol％)SO2、10mol％CO2、89mol％N2)连接，并立即开始数据记录。为了对照路易斯酸气体的溶剂物理吸附，在不存在DCNQ2-的情况下用2.4mL溶剂(碳酸亚丙酯)进行相同的操作。
对于物理吸附实验和DCNQ2-化学吸附实验，相对于引入至系统的入口气体的总体积测量CO2和SO2浓度。观察到由于CO2在碳酸亚丙酯中的低溶解度，其物理吸附实验(即在没有DCNQ2-的情况下)的突破发生在比SO2(在碳酸亚丙酯中具有更高的溶解度)的突破更早的点。在化学吸附实验中(即在存在DCNQ2-的情况下)，观察到CO2突破发生在比物理吸附对照实验中的突破更晚的点。浓度数据的整合表明，在化学吸附实验期间，DCNQ2-以约70％的化学计量捕获CO2。这被认为是由于DCNQ2-与CO2的可逆反应以形成加成物DCNQ2-(CO2)2，如下所示。
然而，与DCNQ2-复合的CO2在形成加成物DCNQ2-(SO2)2的不可逆反应中被SO2替代。，这种DCNQ2-(SO2)2加成物形成在化学吸附实验中的与物理吸附突破相比延迟的SO2突破中明显。定性地观察到反应性的差异。在CO2突破之后但在SO2突破之前，观察到除了柱入口附近的小区域具有黄色(表明存在DCNQ2-(SO2)2)之外，柱中的整个溶液具有粉红色(表明存在DCNQ2-和DCNQ2-(CO2)2加成物)。在稍后的时间点，在SO2突破之后，观察到整个柱溶液具有黄色，表明柱中不存在CO2并且整个柱中存在仅DCNQ2-(SO2)2。图17A示出了物理吸附实验和化学吸附实验的出口气体浓度与入口气体浓度的比相对于时间的图。在图17A中，曲线A对应于物理吸附(仅碳酸亚丙酯)实验中的CO2浓度，曲线B对应于化学吸附(DCNQ2-在碳酸亚丙酯中)实验中的CO2浓度，曲线C对应于物理吸附(仅碳酸亚丙酯)实验中的SO2浓度，曲线D对应于化学吸附(DCNQ2-在碳酸亚丙酯中)实验中的SO2浓度。图17A中的结果示出了CO2的突破显著早于SO2的突破，并且还示出了SO2突破在化学吸附实验中比在物理吸附实验中显著延迟。图17B示出了来自图17A的曲线A和B的放大视图。
SO2突破的延迟解释了化学计量反应，其中所有起始DCNQ2-与SO2反应。SO2与DCNQ2-结合以及在DCNQ2-(CO2)2加成物中由SO2替代CO2的反应方案如下所示。
气体分离实验的结果表明从1％SO2、10％CO2和89％N2的气流中选择性地捕获SO2。认为DCNQ2-对SO2的化学吸附捕获仅通过氧化反应是可逆的，以提供SO2的释放。这样的氧化可以电化学地发生或通过使用氧化性化学试剂发生。
虽然本文已经描述和举例说明了本发明的数个实施方案，但是本领域普通技术人员将容易预想用于执行本文所述的功能和/或获得本文所述的结果和/或一个或更多个优点的多种其他方式和/或结构，并且这样的变化方案和/或修改方案中的每一者都被认为在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易地理解，本文所述的所有参数、尺寸、材料和构造均意指是示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或构造将取决于使用本发明的教导的一项或更多项特定应用。本领域技术人员将认识到或仅使用常规实验就能够确定本文所述的本发明的一些具体实施方案的许多等同方案。因此，应理解，前述实施方案仅通过实例给出，并且在所附权利要求及其等同方案的范围内，本发明可以以除具体描述和要求保护之外的其他方式实施。本发明涉及本文所述的每个单独的特征、系统、制品、材料和/或方法。此外，如果这样的特征、系统、制品、材料和/或方法没有相互不一致，则两个或更多个这样的特征、系统、制品、材料和/或方法的任意组合包括在本发明的范围内。
除非明确指出相反，否则如本文在说明书中和权利要求书中使用的没有数量词修饰的名词应理解为意指“至少一者”。
如本文在说明书中和权利要求书中使用的短语“和/或”应理解为意指如此结合的要素中的“任一者或两者”，即要素在一些情况下共同存在而在另一些情况下分开存在。除非明确指出相反，否则除由“和/或”子句具体指出的要素之外还可以任选地存在其他要素，无论其与具体指出的那些要素相关还是不相关。因此，作为一个非限制性实例，在与开放式语言例如“包含/包括”结合使用时，提及“A和/或B”在一个实施方案中可以是指A而没有B(任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中，可以是指B而没有A(任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中，可以是指A和B二者(任选地包括其他要素)；等等。
如本文在说明书中和权利要求书中使用的“或/或者”应理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当将列表中的项目分开时，“或/或者”或“和/或”应解释为包括性的，即包括多个要素或要素列表中的至少一个，但也包括多于一个，以及任选地另外未列出的项目。仅明确指出相反的术语，例如“仅之一”或“恰好之一”，或者当在权利要求书中使用的“由......组成”，将指包括多个要素或要素列表中的恰好一个要素。一般而言，如本文所用的术语“或/或者”在前面有排他性术语(例如“任一”、“之一”、“仅之一”或“恰好之一”)时仅应解释为指示排他性替代方案(即“一个或另一个但并非二者”)。“基本上由......组成”在权利要求书中使用时应具有其在专利法领域中所使用的普通含义。
如本文在说明书中和权利要求书中使用的，在提及一个或更多个要素的列表时，短语“至少一个”应被理解为意指选自要素列表中任意一个或更多个要素的至少一个要素，但不一定包括要素列表内具体列出的各个和每个要素中的至少一个，并且不排除要素列表中要素的任意组合。该定义还允许可以任选地存在除在短语“至少一个”所提及的要素列表中具体指出的要素之外的要素，无论其与具体指出的那些要素相关还是不相关。因此，作为一个非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等同地，“A或B中的至少一个”，或等同地，“A和/或B中的至少一个”)在一个实施方案中可以指至少一个A，任选地包括多于一个A，而不存在B(并且任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中，可以指至少一个B，任选地包括多于一个B，而不存在A(并且任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中，可以指至少一个A，任选地包括多于一个A，以及至少一个B，任选地包括多于一个B(并且任选地包括其他要素)；等等。
在权利要求书中以及在以上说明书中，所有过渡性短语例如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”等均被理解为开放式的，即意指包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节中所述，仅过渡性短语“由......组成”和“基本上由......组成”应当分别是封闭式或半封闭式的过渡性短语。
Claims (58)
1.电化学设备，其包括：
腔室，所述腔室包括与电活性物质电连通的负电极，所述腔室被构造成接收流体混合物；
其中，在至少一种传导介质中，所述电活性物质具有：
氧化态；和
至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在至少一个温度下与第二路易斯酸气体的反应在热力学上和/或动力学上是不利的，所述第二路易斯酸气体包含选自二氧化碳、氮氧化物、R3B、或R2S中的一种或更多种物质，其中每个R独立地为H、支化或未支化的C1至C8烷基、芳基、环基、杂芳基、或杂环基。
2.根据权利要求1所述的电化学设备，其中所述电活性物质存在于所述电化学设备内的液体中。
3.根据权利要求1所述的电化学设备，其中所述电活性物质固定在所述负电极上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电化学设备，其中所述电活性物质包括选自以下的一种或更多种有机物质：任选取代的醌、任选取代的硫醇盐、任选取代的联吡啶、任选取代的吩嗪和任选取代的吩噻嗪。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电化学设备，其中在所述至少一个还原态下，所述电活性物质包含pKa大于或等于所述第一路易斯酸气体的pKa且小于二氧化碳的pKa的部分。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电化学设备，其中所述第一路易斯酸气体是选自二氧化硫(SO2)、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、R2S、硫化羰(COS)、R3B、三氟化硼(BF3)、或其组合的气体，其中每个R独立地为H、支化或未支化的C1至C8烷基、芳基、环基、杂芳基、或杂环基。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电化学设备，其中R2S是硫化氢(H2S)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电化学设备，其中R3B为硼烷。
9.根据权利要求8所述的电化学设备，其中所述硼烷是BH3。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的电化学设备，其中所述电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在至少一个温度下与二氧化碳的反应在热力学上是不利的。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的电化学设备，其中所述电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在至少一个温度下与二氧化碳的反应在动力学上是不利的。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的电化学设备，其中所述电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在大于或等于223K的至少一个温度下与二氧化碳的反应在热力学上是不利的。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的电化学设备，其中所述电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在大于或等于223K的至少一个温度下与二氧化碳的反应在动力学上是不利的。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的电化学设备，其中所述电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在大于或等于223K且小于或等于573K的至少一个温度下与二氧化碳的反应在热力学上是不利的。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的电化学设备，其中所述电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在大于或等于223K且小于或等于573K的至少一个温度下与二氧化碳的反应在动力学上是不利的。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的电化学设备，其中所述电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在大于或等于223K且小于或等于373K的至少一个温度下与二氧化碳的反应在热力学上是不利的。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的电化学设备，其中所述电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在大于或等于223K且小于或等于373K的至少一个温度下与二氧化碳的反应在动力学上是不利的。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的电化学设备，其中所述电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在298K下与二氧化碳的反应在热力学上是不利的。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的电化学设备，其中所述电活性物质具有至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在298K下与二氧化碳的反应在动力学上是不利的。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的电化学设备，其中所述负电极是包括所述负电极和正电极的电化学电池的一部分。
21.根据权利要求20所述的电化学设备，其中所述负电极包括包含所述电活性物质的电活性复合层。
22.根据权利要求20至21中任一项所述的电化学设备，其中电活性物质是第一电活性物质，以及所述正电极包含第二电活性物质。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的电化学设备，其还包含所述传导介质。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的电化学设备，其中所述传导介质包含非挥发性电解质。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的电化学设备，其中所述传导介质包含液体。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的电化学设备，其中所述传导介质包含室温离子液体。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的电化学设备，其中所述电化学设备包括串联地流体连接的复数个所述腔室。
28.方法，其包括：
跨越电化学电池施加电势差；
将包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的流体混合物暴露于所述电化学电池；以及
在施加所述电势差期间和/或之后从所述流体混合物中除去一定量的所述第一路易斯酸气体；
其中所述方法包括从所述流体混合物中基本上不除去或除去按摩尔百分比计小于或等于10％的存在于所述流体混合物中的所述第二路易斯酸气体。
29.方法，其包括：
将包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的流体混合物暴露于处于还原态的一种或更多种电活性物质；
使一定量的所述第一路易斯酸气体与第一部分的所述处于还原态的一种或更多种电活性物质键合以形成第一路易斯酸气体-电活性物质复合物；
使一定量的所述第二路易斯酸气体与第二部分的所述处于还原态的一种或更多种电活性物质键合以形成第二路易斯酸气体-电活性物质复合物；以及
使至少一些所述第二路易斯酸气体-电活性物质复合物氧化，以使一定量的所述第二路易斯酸气体从所述第二路易斯酸气体-电活性物质复合物中释放，而同时使所述第一路易斯酸气体基本上不从所述第一路易斯酸气体-电活性物质复合物中释放或使按摩尔百分比计为所述第一路易斯酸气体-电活性物质复合物的小于或等于10％的量的所述第一路易斯酸气体从所述第一路易斯酸气体-电活性物质复合物中释放。
30.根据权利要求28至29中任一项所述的方法，其中所述第一路易斯酸气体是选自二氧化硫(SO2)、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、R2S、硫化羰(COS)、R3B、三氟化硼(BF3)、或其组合的气体，其中每个R独立地为H、支化或未支化的C1至C8烷基、芳基、环基、杂芳基、或杂环基。
31.根据权利要求28至30中任一项所述的方法，其中所述第二路易斯酸气体包含选自二氧化碳、氮氧化物、R3B、或R2S中的一种或更多种物质，其中每个R独立地为H、支化或未支化的C1至C8烷基、芳基、环基、杂芳基、或杂环基。
32.根据权利要求28至31中任一项所述的方法，其中所述第二路易斯酸气体是二氧化碳(CO2)。
33.根据权利要求30至32中任一项所述的方法，其中R2S是硫化氢(H2S)。
34.根据权利要求30至33中任一项所述的方法，其中R3B是硼烷。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述硼烷是BH3。
36.根据权利要求28至35中任一项所述的方法，其中所述流体混合物是气体混合物或液体混合物。
37.根据权利要求29至36中任一项所述的方法，其中所述氧化步骤包括将所述第二路易斯酸气体-电活性物质复合物暴露于电化学电池，同时跨越所述电化学电池施加电势差。
38.根据权利要求29至37中任一项所述的方法，其中所述氧化步骤是在第一时间段期间进行的第一氧化步骤，以及所述方法还包括第二氧化步骤，所述第二氧化步骤包括在第二时间段期间使至少一些所述第一路易斯酸气体-电活性物质复合物氧化，以使一定量的所述第一路易斯酸气体从所述第一路易斯酸-电活性物质复合物中释放。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述第二氧化步骤包括将所述第二路易斯酸气体-电活性物质复合物暴露于所述电化学电池，同时跨越所述电化学电池施加电势差。
40.根据权利要求38所述的方法，其中：
所述第一氧化步骤包括将所述第二路易斯酸气体-电活性物质复合物暴露于第一电化学电池，同时跨越所述第一电化学电池施加电势差；并且
所述第二氧化步骤包括将所述第一路易斯酸气体-电活性物质复合物暴露于第二电化学电池，同时跨越所述第二电化学电池施加电势差。
41.根据权利要求29至40中任一项所述的方法，其还包括在将所述包含第一路易斯酸气体和第二路易斯酸气体的流体混合物暴露于电活性物质的步骤之前，使处于氧化态的所述电活性物质还原，以形成处于其还原态的所述电活性物质。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述还原步骤包括跨越电化学电池施加电势差，所述电化学电池包括与所述电活性物质电连通的负电极。
43.根据权利要求28至42中任一项所述的方法，其中所述电化学电池包括与所述电活性物质电连通的负电极。
44.根据权利要求29至43中任一项所述的方法，其中在至少一种传导介质中，所述电活性物质具有：
氧化态；和
至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在至少一个温度下与所述第二路易斯酸的反应在热力学上是不利的。
45.根据权利要求29至44中任一项所述的方法，其中在至少一种传导介质中，所述电活性物质具有：
氧化态；和
至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在至少一个温度下与所述第二路易斯酸的反应在动力学上是不利的。
46.根据权利要求29至45中任一项所述的方法，其中在至少一种传导介质中，所述电活性物质具有：
氧化态；和
至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在大于或等于223K的至少一个温度下与所述第二路易斯酸的反应在热力学上是不利的。
47.根据权利要求29至45中任一项所述的方法，其中在至少一种传导介质中，所述电活性物质具有：
氧化态；和
至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在大于或等于223K的至少一个温度下与所述第二路易斯酸的反应在动力学上是不利的。
48.根据权利要求29至45中任一项所述的方法，其中在至少一种传导介质中，所述电活性物质具有：
氧化态；和
至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在大于或等于223K且小于或等于573K的至少一个温度下与所述第二路易斯酸的反应在热力学上是不利的。
49.根据权利要求29至45中任一项所述的方法，其中在至少一种传导介质中，所述电活性物质具有：
氧化态；和
至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在大于或等于223K且小于或等于573K的至少一个温度下与所述第二路易斯酸的反应在动力学上是不利的。
50.根据权利要求29至45中任一项所述的方法，其中在至少一种传导介质中，所述电活性物质具有：
氧化态；和
至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在大于或等于223K且小于或等于373K的至少一个温度下与所述第二路易斯酸的反应在热力学上是不利的。
51.根据权利要求29至45中任一项所述的方法，其中在至少一种传导介质中，所述电活性物质具有：
氧化态；和
至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在大于或等于223K且小于或等于373K的至少一个温度下与所述第二路易斯酸的反应在动力学上是不利的。
52.根据权利要求29至45中任一项所述的方法，其中在至少一种传导介质中，所述电活性物质具有：
氧化态；和
至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在298K下与所述第二路易斯酸的反应在热力学上是不利的。
53.根据权利要求29至45中任一项所述的方法，其中在至少一种传导介质中，所述电活性物质具有：
氧化态；和
至少一个还原态，在所述至少一个还原态下所述电活性物质能够与第一路易斯酸气体键合，但针对所述至少一个还原态，在298K下与所述第二路易斯酸的反应在动力学上是不利的。
54.根据权利要求29至53中任一项所述的方法，其中所述电活性物质包括选自以下的一种或更多种有机物质：任选取代的醌、任选取代的硫醇盐、任选取代的联吡啶、任选取代的吩嗪和任选取代的吩噻嗪。
55.根据权利要求29至54中任一项所述的方法，其中所述电活性物质具有氧化态和至少一个还原态，其中在所述至少一个还原态下，所述电活性物质包含pKa大于或等于所述第一路易斯酸气体的pKa且小于所述第二路易斯酸气体的pKa的部分。
56.根据权利要求55所述的方法，其中所述电化学电池包括负电极和正电极。
57.根据权利要求56所述的方法，其中所述负电极包括包含所述电活性物质的电活性复合层。
58.根据权利要求56至57中任一项所述的方法，其中电活性物质是第一电活性物质，以及所述正电极包含第二电活性物质。
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