CN117425989A - 用于电化学气体分离的方法 - Google Patents

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Abstract

一种从流体混合物中分离路易斯酸气体的方法，包括使流体混合物与还原的电活性物种、非水电解质、和稳定添加剂接触，以在路易斯酸气体和还原的电活性物种之间形成阴离子加合物，其中所述电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，所述还原态与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物，其中所述稳定添加剂包括阳离子路易斯酸、氢键给体或其组合，并且所述稳定添加剂以有效量存在，以在动力学上有利于由还原的电活性物种形成阴离子加合物，并且在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物。

Description

用于电化学气体分离的方法
相关申请的交叉引用
根据35U.S.C.§119，本申请要求2021年4月7日在美国专利商标局提交的美国临时专利申请第63/171,762号的优先权，以及由此产生的所有权益，其内容通过引用整体并入本文。
联邦研究声明
本发明是在政府支持下完成的，由美国能源部科学SC-1办公室授予的授予号为DE-SC0020915。政府对本发明拥有一定的权利。
背景技术
从流体混合物中去除目标物种已经成为许多研究和开发的主题。例如，一直在努力通过抑制二氧化碳排放来缓解全球变暖。为此，已经探索了许多方法，包括热方法，以在二氧化碳产生的不同阶段捕获二氧化碳。路易斯酸气体去除的其他潜在应用包括直接从空气或通风空气中去除路易斯酸气体。
电摆动吸附是从气体混合物中捕获路易斯酸气体的替代方法。在电摆动吸附电池中，电极包括导电支架，例如碳纤维纸，其具有多种功能，包括为电子提供导电路径、为活性材料提供与电解质接触的表面积以及提供机械支撑以保持多孔结构。
仍然持续需要用于从流体混合物中捕获目标物种的改进的材料和方法。提供一种使用具有较薄电极的电摆动吸附电池来捕获路易斯酸气体的方法将是特别有利的。
发明内容
提供了一种从包含路易斯酸气体的流体混合物中分离路易斯酸气体的方法，该方法包括使流体混合物与以下物质接触：还原态的电活性物种；非水电解质；和稳定添加剂，以在路易斯酸气体和还原态的电活性物种之间形成阴离子加合物，其中电活性物种包括：氧化态和至少一种还原态，其中电活性物种与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物，其中稳定添加剂包含阳离子路易斯酸、氢键给体或其组合，并且其中稳定添加剂以有效量存在，以在动力学上有利于由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物，在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物，或者在动力学上有利于由还原的电活性物种形成阴离子加合物，并且在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物。
还提供了一种电化学装置，包括：腔室，该腔室包括与还原态的电活性物种电子连通的负极、非水电解质和稳定添加剂，其中该腔室被配置成接收包含路易斯酸气体的流体混合物，其中该电活性物种包括：氧化态，和至少一种还原态，其中电活性物种与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物，其中稳定添加剂包含阳离子路易斯酸、氢键给体或其组合，并且其中稳定添加剂以有效量存在以：在动力学上有利于在路易斯酸气体和还原的电活性物种之间形成阴离子加合物，在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物，或者在动力学上有利于在路易斯酸气体和还原的电活性物种之间形成阴离子加合物，并且在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物。
进一步提供了一种气体分离系统，包括与气体入口和气体出口流体连通的多个电化学电池，其中多个电化学电池中的每一个包括：第一电极，其包含还原态的电活性物种，其中所述电活性物种包含氧化态和至少一种还原态，所述还原态与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物；包含互补电活性层的第二电极；第一电极和第二电极之间的第一隔膜；非水电解质；和稳定添加剂，其中稳定添加剂包含阳离子路易斯酸、氢键给体或其组合，其中稳定添加剂以有效量存在以：在动力学上有利于由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物，在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物，或者在动力学上有利于由还原的电活性物种形成阴离子加合物，并且在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物。
以下的附图和详细描述举例说明了上述和其他特征。
附图说明
以下附图是示例性实施方案，其中相同的元件编号相同。在图中，“E”用于表示“指数”，例如，1E-05表示1x10-5。
图1是电流(安培，A)对电势(伏特，V)；vs.二茂铁(Fc/Fc+)的图；并示出了如实施例1中所述的重叠循环伏安图。
图2是电流(A)对电势(V vs.Fc/Fc+)的图；并示出了如实施例1中所述的重叠循环伏安图。
图3是电流(A)对电势(V vs.Fc/Fc+)的图；并示出了如实施例1中所述的重叠循环伏安图。
图4是吸光度(任意单位)对波长(纳米，nm)的图，并示出了如实施例2中所述的重叠的吸光度光谱。
图5是吸光度(任意单位)对波长(nm)的图，并示出了如实施例2中所述的重叠的吸光度光谱。
图6是吸光度(任意单位)对波长(nm)的图，并示出了如实施例2中所述的重叠的吸光度光谱。
图7是电流(A)对电势(V vs.Fc/Fc+)的图，并示出了如实施例3中所述的重叠循环伏安图。
图8是电流(A)对电势(V vs.Fc/Fc+)的图，并示出了如实施例4中所述的重叠循环伏安图。
图9是在如实施例5中所述的具有和不具有LiTFSI的密封电池充电实验期间，施加的电势(V，左)和充电容量(Ah，右)对时间的图。
图10是在如实施例5中所述的密封电池充电实验期间，施加的电势(V，左)和电池顶部空间压力(PSI，右)对时间的图。
图11是在如实施例5中所述的密封电池充电实验期间，施加的电势(V，左)和电池顶部空间压力(PSI，右)对时间的图。
图12是电流(A)对电势(V vs.Fc/Fc+)的图，并示出了如实施例9中所述的重叠循环伏安图。
图13是电流(A)对电势(V vs.Fc/Fc+)的图，并示出了如实施例9中所述的重叠循环伏安图。
图14是电流(A)对电势(V vs.Fc/Fc+)的图，并示出了如实施例10中所述的重叠循环伏安图。
图15是电流(A)对电势(V vs.Fc/Fc+)的图，并示出了如实施例10中所述的重叠循环伏安图。
图16是电流(A)对电势(V vs.Fc/Fc+)的图，并示出了如实施例11中所述的重叠循环伏安图。
图17是电流(A)对电势(V vs.Fc/Fc+)的图，并示出了如实施例11中所述的重叠循环伏安图。
图18是电流(A)对电势(V vs.Fc/Fc+)的图，并示出了如实施例12中所述的重叠循环伏安图。
图19是电流(A)对电势(V vs.Fc/Fc+)的图，并示出了如实施例13中所述的重叠循环伏安图。
具体实施方式
本公开进一步详细描述了涉及从流体混合物中分离一种或多种路易斯酸气体的方法、装置和系统的示例性实施方案。本文所述的示例性实施方案可用于通过电化学过程从流体混合物中捕获路易斯酸气体(例如，CO2)，该电化学过程通过在稳定添加剂的存在下使流体混合物与还原态的电活性物种(“还原的电活性物种”)和非水电解质接触。有利地，稳定添加剂可以以有效量(“有效量”)存在，以在动力学上有利于形成可在路易斯酸气体和还原的电活性物种之间形成的阴离子加合物，和/或在热力学上有利于形成在路易斯酸气体和还原的电活性物种之间形成的阴离子加合物。
提供了一种从包含路易斯酸气体的流体混合物中分离路易斯酸气体的方法。该方法包括在稳定添加剂的存在下，使流体混合物与还原态的电活性物种和非水电解质接触，以在路易斯酸气体和还原的电活性物种之间形成阴离子加合物。如本文所用，“电活性物种”是指一种在暴露于电化学电池中的电势时经历氧化或还原的材料。当电活性物种处于还原态时，电活性物种能够与路易斯酸气体结合或结合至路易斯酸气体，并且当电活性物种处于氧化态时，能够释放路易斯酸气体。因此，电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，还原的电活性物种与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物。如本文所用，“阴离子加合物”是指与路易斯酸气体结合的还原的电活性物种。电活性物种的后续氧化可以释放路易斯酸气体，并且相应的方法可以提供路易斯酸气体的可逆捕获，例如在CO2的情况下可逆的碳捕获。
在一些方面，在存在有效量的稳定添加剂的情况下，还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数大于在不存在有效量的稳定添加剂的情况下还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数。
在一些方面，在有效量的稳定添加剂的存在下，由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成的阴离子加合物在动力学上比在没有有效量的稳定添加剂存在下由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利。
流体混合物包括路易斯酸气体。术语“路易斯酸气体”是指能够从电子对给体接受电子对的气态物种(例如，通过具有给体的电子对在能量上可接近的空轨道)。
路易斯酸气体可以包括二氧化碳(CO2)、硫化羰(COS)、氧化硫如二氧化硫(SO2)或三氧化硫(SO3)；有机硫酸盐(R2SO4),例如硫酸二甲酯；氮氧化物，例如二氧化氮(NO2)或三氧化氮(NO3)；磷酸酯(R3PO4),例如磷酸三甲酯；硫化物(R2S)，酯(RCOOR′)，例如甲酸甲酯或丙烯酸甲酯；醛(RCHO)，例如甲醛或丙烯醛；酮(R′2CO)如丙酮，异氰酸酯(R′NCO)如甲基异氰酸酯；异硫氰酸酯(R′NCS)；硼烷(BR″3)如三甲基硼烷，硼酸盐(R″3BO3)如三甲基硼酸盐；或其组合，每个R独立地是氢、C1-12烷基、C3-12环烷基、C1-12杂环烷基、C6-20芳基或C1-12杂芳基；每个R’独立地为C1-12烷基、C3-12环烷基、C1-12杂环烷基、C6-20芳基或C1-12杂芳基；每个R″独立地是氢、卤素、C1-12烷基、C3-12环烷基、C1-12杂环烷基、C6-20芳基或C1-12杂芳基。在一个或多个方面，路易斯酸气体可以包括CO2、COS、SO2、SO3、NO2或NO3。在其他方面，路易斯酸气体是CO2。
可以选择电活性物种，使得电活性物种的至少一种还原态对路易斯酸气体具有强亲和力。在一个方面，在还原状态下，在室温(例如，23℃)下，电活性物种与路易斯酸气体的结合常数可以为至少10升/摩尔(M-1)，或至少102M-1，或至少103M-1。例如，还原的电活性物种与路易斯酸气体的结合常数可以为10至1020M-1、103至1019M-1、104至1018M-1、105至1017M-1、106至1016M-1或107至1015M-1。在一个方面，与路易斯酸气体的结合常数为105至1020M-1，或1010至1015M-1。
在一个方面，电活性物种可以具有至少两种氧化态。当电活性物种处于第一氧化态时，可以认为其处于“活性态”，其中对路易斯气体的亲和力可以是高的(即，处于“活性态”的电活性物种可以具有与路易斯气体的结合常数)。在第二氧化态下，电活性物种可被认为处于“去活性”态，其中相对于“活性”态对路易斯气体的亲和力，其对路易斯气体的亲和力降低。例如，电活性物种在去活性态下的结合常数与活性态下的结合常数之比可以为0.9:1至10-20:1，例如0.9:1、0.8:1、0.5:1、0.1:1、10-2:1、10-3:1、10-4:1或10-20:1。在一个方面，在去活性态下与路易斯气体的结合常数可以是0(即，去活性态对于路易斯气体物种基本上是非活性的)。
电活性物种可以具有至少一种氧化态，其中路易斯气体可以从电活性物种释放。例如，在一个方面，电活性物种可以具有至少一种氧化态，其中在氧化到氧化态时，路易斯气体可以从电活性物种中释放出来。在一个方面，还原的电活性物种对路易斯酸气体的结合常数可以大于相应的氧化的电活性物种对路易斯酸气体的结合常数。因此，在一个有利的特征中，路易斯酸气体的捕获和释放可以通过氧化还原循环来实现。
电活性物种能够在约数分钟、数秒、数毫秒或数微秒或更短的时间尺度上结合路易斯酸气体。
在一个方面，电活性物种可以具有还原态，其中电活性物种能够与路易斯酸气体结合，并且存在至少一个温度(例如，在大于或等于223K、大于或等于248K、大于或等于273K、或大于或等于298K，且至高323K、至高348K或至高413K的范围内，例如298K)，在该温度下，还原的电活性物种与分子氧(O2)反应在热力学上是不利的。在一个方面，电活性物种可以具有还原态，其中电活性物种能够与路易斯酸气体结合，并且存在至少一个温度(例如，298K)，在该温度下还原的电活性物种与分子氧(O2)反应在动力学上是不利的，因为例如与氧反应的速率常数太慢，以至于反应不能在与捕获路易斯酸气体相当的时间尺度上发生。因此，电活性物种提供了在分子氧上捕获路易斯酸气体的特异性。
电活性物种可以包括电活性聚合物、电活性低聚物、电活性有机化合物、电活性材料(例如功能化的碳纳米管等)或其组合。电活性物种可以包括至少一个能够与路易斯酸气体结合的官能团，例如羰基。
示例性的电活性有机化合物可以包括，但不限于，取代或未取代的醌或四酮、联吡啶、吩嗪、联吡啶鎓或紫精、吡嗪鎓、嘧啶鎓、喹喔啉鎓、吡喃鎓、吡啶鎓、四唑鎓、四联氮基(verdazyl)、咯嗪、异咯嗪、醌二甲烷、三氰基乙烯基苯、四氰基乙烯、硫酮、硫醌和二硫化物。在一个方面，电活性物种包括取代或未取代的醌(例如，醌可包括结合到醌上的一个或多个官能团或其它部分或键)。取代醌上的取代基(例如，官能团)的选择可以取决于多种因素，包括但不限于其对取代醌还原电势的影响。受益于本公开，普通技术人员将理解如何基于例如合成可行性和所得还原电势来确定取代醌上的哪些取代基或取代基的组合适合于第一电活性物种。示例性的官能团可以包括，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(例如乙酰基或乙酯)、氨基、酰氨基、季铵(例如，四烷基氨基)、支链或无支链的烷基(例如，C1-18烷基)、杂烷基、烷氧基、糖氧基、聚亚烷基糖氧基(聚亚乙基糖氧基)、亚氨基、聚亚氨基、支链或无支链的烯基、支链或无支链的炔基、芳基、杂芳基、杂环基、硝基、腈基、硫代基或羰基，它们中的任何一个都可以被取代或未被取代。任何合适的有机或无机反离子可以存在于前述带电物种中，例如碱金属、碱土金属、铵或式R4N+的取代铵，其中每个R是相同或不同的，并且独立地是C1-18烃基，前提是至少一个R是烃基。
在一个方面，电活性物种包括结构(I)或(II)的取代或未取代的醌：
其中R1、R2、R3和R4在每种情况下独立地是氢、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、膦酸根和/或膦酸、烷基膦酸根和/或烷基膦酸、酰基(例如，乙酰基或乙酯)、氨基、酰氨基、季铵(例如，四烷基氨基)、支链或无支链的C1-18烷基、杂烷基、烷氧基、糖氧基、聚亚烷基糖氧基(例如，聚亚乙基糖氧基)、亚氨基、聚亚氨基、支链或无支链的烯基、支链或无支链的炔基、芳基、杂芳基、杂环基、硝基、腈基、硫代基或羰基，它们中的任何一个都可以被取代或未被取代，且任意两个相邻的R1-R4基团可以任选地一起形成环状基团。
在一些方面，电活性物种可以包括取代或未取代的醌或四酮，优选1,4-苯醌、1,2-苯醌、1,4-萘醌、1,2-萘醌、蒽醌、菲醌、苯并蒽醌、二苯并蒽醌、4,5,9,10-芘四酮或其组合。如上所述，前述中的任一种都可以任选地被取代。在一个方面，电活性物种可包括任选取代的萘醌、任选取代的喹啉、任选取代的蒽醌、任选取代的菲醌(也称为任选取代的菲二酮)，或任选取代的硫色烯-二酮。例如，电活性物种可以包括苯并[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-λ4-硫色烯-5,8-二酮。也可以使用前述非限制性示例性电活性物种的其他区域异构体(例如，在醌的不同位置具有取代基)。
在一些方面，电活性物种可以包括取代或未取代的联吡啶、取代或未取代的吩嗪、取代或未取代的联吡啶鎓、取代或未取代的紫精、取代或未取代的吡嗪鎓、取代或未取代的嘧啶鎓、取代或未取代的喹喔啉鎓、取代或未取代的吡喃鎓、取代或未取代的吡啶鎓、取代或未取代的四唑鎓、取代或未取代的苯并咪唑、取代或未取代的咯嗪，取代或未取代的异咯嗪、取代或未取代的醌二甲烷、取代或未取代的三氰基乙烯基苯、取代或未取代的四氰基乙烯、取代或未取代的硫酮、取代或未取代的硫醌、取代或未取代的二硫化物或其组合。
在一个方面，电活性物种包括电活性聚合物或低聚物。如本文所用，术语“聚合物”是指具有多于10个重复单元的结构。如本文所用，术语“低聚物”是指具有2至10个重复单元的结构。在一个方面，电活性聚合物中的至少一部分包含聚合物主链，其中电活性物种中的至少一种与聚合物主链共价结合。在一个方面，电活性物种可以形成聚合物主链的至少一部分。
在一个方面，电活性物种包括聚合物或低聚物，其包含衍生自以下的重复单元：取代或未取代的醌、取代或未取代的四酮、取代或未取代的联吡啶鎓、取代或未取代的联吡啶、取代或未取代的吩嗪、取代或未取代的苯并咪唑、取代或未替代的苯并三唑、取代或未取代的吲哚、取代或未取代的紫精、取代或未取代的吡嗪鎓、取代或未取代的嘧啶鎓、取代或未取代的喹啉、取代或未取代的异喹啉、取代或未取代的喹喔啉鎓、取代或未取代的吡喃鎓、取代或未取代的吡嗪、取代或未取代的吡啶鎓、取代或未取代的四唑鎓、取代或未取代的四联氮基(verdazyl)、取代或未取代的咯嗪，取代或未取代的异咯嗪、取代或未取代的醌二甲烷、取代或未取代的三氰基乙烯基苯、取代或未取代的四氰基乙烯、取代或未取代的硫酮、取代或未取代的硫醌、取代或未取代的二硫化物或其组合。
示例性的电活性物种包括聚合物或低聚物，其包括一个或多个衍生自以下的重复单元：取代或未取代的1,4-苯醌、取代或未取代的1,2-苯醌、取代或未取代的1,4-萘醌、取代或未取代的1,2-萘醌、取代或未取代的2,3-二氨基萘、取代或未取代的蒽醌、取代或未取代的菲醌、取代或未取代的苯并蒽醌、取代或未取代的二苯并蒽醌、取代或未取代的4,5,9,10-芘四酮、取代或未取代的吲哚、取代或未取代的喹啉、取代或未取代的异喹啉、取代或未取代的苯并咪唑或取代或未取代的苯并三唑。
在一个方面，电活性聚合物包含衍生自醌的重复单元，如上所述，醌可以包括1,4-苯醌、1,2-苯醌、1,4-萘醌、1,2-萘醌、蒽醌、菲醌、苯并蒽醌、二苯并蒽醌、4,5,9,10-芘四酮或其组合。在一个方面，电活性聚合物可以包括取代或未取代的聚(蒽醌)。在一个方面，电活性聚合物可以包括取代或未取代的聚(乙烯基蒽醌)。在一个方面，电活性聚合物可以包括取代或未取代的聚(苯基萘醌)。
当电活性物种包括电活性聚合物或电活性低聚物时，电活性聚合物或电活性低聚物可以任选地被交联。交联可以通过本领域公知的各种方法来实现。受益于本公开，技术人员将能够基于电活性物种的选择来确定合适的交联化学。
例如，在一些方面，电活性物种包括水凝胶、离子凝胶、有机凝胶或其组合，或者被结合到其中。这样的交联聚合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种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，电活性物种通过吸附(例如，物理吸附和/或化学吸附)结合到交联聚合材料中。在一些方面，电活性物种包括延伸的网络。例如，电活性物种可以包括金属有机框架(MOF)或共价有机框架(COF)。在一些方面，电活性物种包括功能化的碳质材料。例如，电活性物种可包括功能化石墨烯、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。
结构(I)和(II)的取代或未取代的醌是环状共轭体系，其具有偶数个羰基，可以以如下所示的方式还原，分别进行一个电子还原形成半醌阴离子(IA)或(IIA)，随后半醌阴离子的分别进行一个电子还原形成醌二阴离子(IB)或(IIB)。
当电活性物种包括含醌化合物且路易斯酸气体是CO2时，阴离子加合物(Q-CO2)-可在半醌阴离子和CO2之间形成，如下面半醌阴离子(IA)的示例性情况所示：
(Q-CO2)-
当电活性物种包括含醌化合物且路易斯酸气体是CO2时，阴离子加合物(Q-(CO2)2)2-)可在半醌阴离子和CO2之间形成，如下面醌二阴离子(IB)的示例性情况所示：
(Q-(CO2)2)2-
在一些方面，含醌化合物和CO2之间形成的阴离子加合物包括阴离子加合物(Q-CO2)-)、阴离子加合物(Q-(CO2)2)2-)，或其组合。
稳定添加剂包括阳离子路易斯酸、氢键给体或其组合。稳定添加剂以有效量存在，以在动力学上有利于由还原的电活性物种形成阴离子加合物，和/或在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物。例如，稳定添加剂可以以10-3至101摩尔每升(M1)的量存在。在该范围内，稳定添加剂可以以1x10-3至5x10-2，或5x10-3至1x10-1 M1的量存在。
稳定添加剂可以是阳离子路易斯酸。如本文所用，术语“阳离子路易斯酸”是指能够从电子给体接受电子密度的阳离子物种。阳离子路易斯酸可以以这样的量存在，以在动力学上有利于由还原的电活性物种形成阴离子加合物和/或在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物。例如，在有效量的阳离子路易斯酸的存在下，还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数大于在不存在有效量的阳离子路易斯酸的情况下还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数。例如，在有效量的阳离子路易斯酸的存在下，由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成的阴离子加合物在动力学上比在没有有效量的阳离子路易斯酸的存在下由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利。
在一些方面，还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的阴离子加合物在热力学上比还原的电活性物种和阳离子路易斯酸之间形成的加合物更稳定。例如，半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的阴离子加合物在热力学上可以比半醌阴离子或醌二阴离子与阳离子路易斯酸之间形成的加合物更稳定。
在一些方面，在阳离子路易斯酸的存在下，还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的反应平衡常数大于在不存在阳离子路易斯酸的情况下还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的反应平衡常数。例如，在阳离子路易斯酸的存在下，半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的反应平衡常数大于在不存在阳离子路易斯酸的情况下半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的反应平衡常数。
在一些方面，阳离子路易斯酸和阴离子加合物之间的离子键强度大于还原的电活性物种和阳离子路易斯酸之间的离子键强度。例如，阳离子路易斯酸和阴离子加合物之间的离子键强度可以大于半醌阴离子或醌二阴离子和阳离子路易斯酸之间的离子键强度。
在一些方面，阳离子路易斯酸和阴离子加合物之间的缔合常数大于半醌阴离子或醌二阴离子和阳离子路易斯酸之间的缔合常数。在特定的方面，在有效量的阳离子路易斯酸的存在下，半醌阴离子或醌二阴离子和路易斯酸气体之间的缔合常数大于在不存在有效量的阳离子路易斯酸的情况下半醌阴离子或醌二阴离子和路易斯酸气体之间的缔合常数。
阳离子路易斯酸可以包括金属阳离子或准金属阳离子。在一些方面，阳离子路易斯酸可以是第1族元素、第2族元素、稀土元素、第11族元素、第12族元素、第13族元素或其组合的金属阳离子。例如，金属阳离子可以是Li、Na、K、Mg、Ca、Sc、La、Al、Zn或其组合。阳离子路易斯酸可以带有阴离子。阳离子路易斯酸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、三氟甲烷磺酸根(三氟甲磺酸根)、九氟丁基磺酸根、双(三氟甲基磺酰基)酰胺、双(氟磺酰)亚胺、三氟乙酸根、七氟丁酸根、卤代铝酸根、三唑(triazolide)、双氰胺、双(五氟乙基磺酰基)酰亚胺、硫氰酸根、或氨基酸衍生物(例如，氮上的质子被去除的脯氨酸)中的一种或多种。
稳定添加剂可以是氢键给体。如本文所用，术语“氢键给体”是指能够成为氢键受体的氢键给体的化合物。在阴离子加合物是氢键受体的情况下，氢键给体物种通过氢键稳定阴离子加合物。在一些方面，氢键给体的氢原子和阴离子加合物之间的氢键强度大于氢键给体的氢原子和半醌阴离子或醌二阴离子之间的氢键强度。
在一些方面，在存在有效量的氢键给体的情况下，由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物在动力学上比在不存在有效量的氢键给体的情况下由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利。
在一些方面，稳定添加剂是氢键给体，且半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的阴离子加合物在热力学上比半醌阴离子或醌二阴离子与氢键给体之间形成的加合物更稳定。
在一些方面，稳定添加剂是氢键给体，在存在氢键给体的情况下半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的反应平衡常数大于在不存在氢键给体的情况下半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的反应平衡常数。
在一些方面，稳定添加剂是氢键给体，氢键给体和阴离子加合物之间的缔合常数大于半醌阴离子或醌二阴离子和氢键给体之间的缔合常数。
在一些方面，稳定添加剂是氢键给体，在有效量的氢键给体的存在下，半醌阴离子或醌二阴离子和路易斯酸气体之间的缔合常数大于在不存在有效量的氢键给体的情况下半醌阴离子或醌二阴离子和路易斯酸气体之间的缔合常数。
在一些方面，氢键给体是包括羟基、铵基、苯胺基、吡啶基、咪唑基、羧酸基、硫醇基、脲基、胍基、硫脲基或其组合的化合物。在一个方面，氢键给体是包括羟基、铵基、苯胺基、吡啶基、咪唑基、羧酸基、硫醇基或其组合的化合物。在一个方面，氢键给体是包括脲基、胍基、硫脲基或其组合的化合物。
在一个方面，氢键给体是包含羟基的化合物。包含羟基的示例性化合物可以包括但不限于C1-18烷基醇、C6-20芳香醇、羟基封端的聚或低聚(C1-6亚烷基)二醇(例如，羟基封端的聚(乙二醇)、羟基二封端的聚(乙二醇)，羟基封端的聚(丙二醇)等，或其组合)、甘油等，或其组合。在一个方面，包括羟基的化合物可以包括C1-18烷基醇，例如C1-6烷基醇(例如甲醇、乙醇、丙醇、叔丁醇、异丁醇等，或其组合)。在一个方面，氢键给体可以是水。在一个方面，氢键给体可以是C6-20芳香醇，例如酚羟基(例如，苯酚)。在一些方面，当稳定添加剂包括氢键给体并且非水电解质是离子液体时，氢键给体不包括与离子液体的阳离子种类相同的阳离子基团。
在一个方面，氢键给体可以是聚合物化合物，其包括羟基、铵基、苯胺基、吡啶基、咪唑基、羧酸基、硫醇基、脲基、胍基、硫脲基或其组合中的一种或多种。例如，任何前述氢键给体基团可以以聚合物链上的侧基形式存在、作为聚合物链内的主链基团存在、作为聚合物链末端官能团存在，或其组合。在一个方面，氢键给体可以是包含羟基的聚合化合物。示例性的含羟基聚合物可包括但不限于聚(乙烯基苯酚)、聚(乙烯醇)等，或其组合。
在一个方面，稳定添加剂包括阳离子路易斯酸和氢键给体的组合，其中阳离子路易斯酸和氢键给体可以是任何前述物质。
该方法在非水电解质中进行。非水电解质可以是在室温(例如23℃)下具有合适电导率的固体或液体。非水电解质可以是有机电解质(例如，N,N-二甲基甲酰胺、液态醌)、离子液体、有机材料的液态低共熔混合物、溶剂化离子液体或其组合。可适用于本文方法和系统的液体醌的一个示例是苯醌和第二种醌如萘醌的液体混合物，如Shimizu A，TakenakaK，Handa N，Nokami T，Itoh T，Yoshida JILiquid Quinones for Solvent-Free RedoxFlow Batteries,Advanced Materials.2017年11月；29(41):1606592，其内容通过引用整体并入本文。在一个或多个方面，苯醌和第二种醌如萘醌的液体混合物可用于电活性物种和非水电解质。在一些方面，非水电解质包括碳酸酯。例如，在一些方面，非水电解质可以包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙二酯、碳酸丙二酯或其组合。
在一个方面，有机电解质可以包括有机溶剂和支持电解质。示例性的有机溶剂包括但不限于，乙腈、二甲基甲酰胺、碳酸丙烯酯、二甲基亚砜、聚乙二醇、二乙二醇二甲醚(diglyme)、三乙二醇二甲醚(tetraglyme)、四乙二醇二甲醚(tetraglyme)、五乙二醇二乙醚(pentaglyme)、18-冠-6醚或其组合。在一个方面，有机溶剂可以包括乙腈、二甲基甲酰胺、碳酸丙烯酯、二甲基亚砜、聚乙二醇、二乙二醇二甲醚或其组合。在一个方面，溶剂可以包括三乙二醇二甲醚(tetraglyme)、四乙二醇二甲醚(tetraglyme)、五乙二醇二甲醚(pentaglyme)、18-冠-6醚或其组合。
非水电解质可以进一步包括支持电解质，其中支持电解质不同于稳定添加剂。支持电解质通常是季铵盐，因为其电特性，例如在非水电解质中优异的导电性等。季铵盐的示例包括，例如，(CH3)4N·BF4、(CH3)3C2H5N·BF4、(CH3)2(C2H5)2N·BF4、CH3(C2H5)3N·BF4、(C2H5)4N·BF4、(C3H7)4N·BF4、CH3(C4H9)3N·BF4、(C4H9)4N·BF4、(C6H13)4N·BF4、(C2H5)4N·ClO4、(C2H5)4N·BF4、(C2H5)4N·PF6、(C2H5)4N·AsF6、(C2H5)4N·SbF6、(C2H5)4N·CF3SO3、(C2H5)4N·C4F9SO3、(C2H5)4N·(CF3SO2)2N、(C2H5)4N·BCH3(C2H5)3、(C2H5)4N·B(C2H5)4、(C2H5)4N·B(C4H9)4、(C2H5)4N·B(C6H5)4等，其六氟磷酸盐等。基于非水电解质的总重量，支持电解质可以以0至70重量％的量存在。
在一个方面，非水电解质包括离子液体，例如室温离子液体(RTIL)。离子液体也称为熔融盐，因为它们在室温例如23℃下为液体，可以具有低挥发性，例如在23℃的温度下蒸气压为小于10-5帕斯卡(Pa)或10-10至10-5Pa，这可以降低隔膜变干的风险，并允许减少由于蒸发或夹带造成的电解质损失。在一个方面，离子液体占非水电解质的基本上全部(例如，至少80体积百分比(vol％)，或至少90vol％，或至少95vol％，或至少98vol％，或至少99vol％，或至少99.9vol％)。
离子液体包括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、三氟甲烷磺酸根(三氟甲磺酸根)、九氟丁基磺酸根、双(三氟甲基磺酰基)酰胺、三氟乙酸根、七氟丁酸根、卤代铝酸根、三唑(triazolide)或氨基酸衍生物(例如氮上的质子被去除的脯氨酸)中的一种或多种。离子液体的阳离子可以包括但不限于咪唑鎓、吡啶鎓、吡咯烷鎓、鏻鎓、铵鎓、硫鎓、噻唑鎓、吡唑鎓、哌啶鎓、三唑鎓、吡唑鎓、噁唑鎓、胍鎓、碱金属阳离子或二烷基吗啉鎓中的一种或多种。在一个方面，室温离子液体包括咪唑鎓作为阳离子组分。在一个方面，室温离子液体包括1-丁基-3-甲基咪唑鎓(“Bmim”)作为阳离子组分。在一个方面，室温离子液体包括双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(“TFSI”)作为阴离子组分。在一个方面，室温离子液体包括1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺盐(“[Bmim][TFSI]”)。在一个方面，室温离子液体包括1-丁基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐(“BF4”)(“[Bmim][BF4]”)。
在一个方面，非水电解质包括离子液体，该离子液体可以包括未取代或取代的咪唑鎓、未取代或取代的吗啉鎓、未取代或取代的吡啶鎓、未取代或取代的吡咯烷鎓、未取代或取代的哌啶鎓、未取代或取代的哌嗪鎓、未取代或取代的吡嗪鎓或其组合。在特定的方面，离子液体可以是1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(氟磺酰基)酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(五氟磺酰基)酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑鎓二氰胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基吡啶双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺盐、N-甲基-N-丙基哌啶双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺盐或其组合。
在一个方面，非水电解质可以包括溶剂化离子液体。如本文所用，术语“溶剂化离子液体”是指螯合溶剂中化学计量(例如，等摩尔)量的盐。溶剂化离子液体在室温例如23℃下为液体，且可以具有低挥发性，例如在23℃的温度下蒸气压为小于10-5帕斯卡(Pa)或10-10至10-5Pa，这可以降低隔膜变干的风险，并允许减少由于蒸发或夹带造成的电解质损失。在一个方面，溶剂化离子液体占非水电解质的基本上全部(例如，至少80体积百分比(vol％)，或至少90vol％，或至少95vol％，或至少98vol％，或至少99vol％，或至少99.9vol％)。
溶剂化离子液体包含螯合溶剂和盐。螯合溶剂能够螯合金属阳离子。示例性螯合溶剂可包括但不限于三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、五乙二醇二甲醚、18-冠-6醚等，或其组合。溶剂化离子液体的盐可以或可以不与稳定添加剂相同。在一个方面，盐包括碱金属盐、碱土金属盐、稀土金属盐、第11族金属盐、第12族金属盐、第13族金属盐或其组合。在一个方面，盐包括碱金属盐、碱土金属盐或其组合。例如，盐可以包括Li、Na、K、Mg、Ca、Sc、La、Al、Zn或其组合，优选Li、Na、Mg、K或其组合。除了金属阳离子之外，盐还包含阴离子组分。合适的阴离子可以包括例如以下中的一种或多种：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、三氟甲烷磺酸根(三氟甲磺酸根)、九氟丁基磺酸根、双(三氟甲基磺酰基)酰胺、双(氟磺酰)亚胺、三氟乙酸根、七氟丁酸根、卤代铝酸根、三唑(triazolide)、双氰胺、双(五氟乙基磺酰基)酰亚胺、硫氰酸根、或其组合。在一个方面，该盐可以是，例如双(三氟甲基磺酰基)酰胺锂、双(氟磺酰基)酰亚胺锂、双(五氟乙基磺酰基)酰亚胺锂、双(三氟甲基磺酰基)酰胺钠、双(氟磺酰基)酰亚胺钠、双(五氟乙基磺酰基)酰亚胺钠、双(三氟甲基磺酰基)酰胺镁、双(氟磺酰基)酰亚胺镁、二(五氟乙基磺酰基)酰亚胺镁、双(三氟甲基磺酰基)酰胺钾、双(氟磺酰基)酰亚胺钾、双(五氟乙基磺酰基)酰亚胺钾等，或其组合。
在一个方面，非水电解质可以包括与一种或多种附加非水电解质结合的溶剂化离子液体。例如，非水电解质可以包含与离子液体、有机溶剂或其组合结合的溶剂化离子液体。当作为组合存在时，基于非水电解质的总体积，溶剂化离子液体可以以1至99体积％的量存在于非水电解质中。在该范围内，溶剂化离子液体可以以至少5体积％、或至少10体积％、或至少20体积％、或至少30体积％、或至少40体积％、或至少50体积％、或至少60体积％、或至少75体积％、或至少85体积％、或至少95体积％的量存在。还在该范围内，溶剂化离子液体可以以至多95体积％、或至多90体积％、或至多80体积％、或至多70体积％、或至多60体积％、或至多50体积％、或至多30体积％、或至多20体积％、或至多10体积％、或至多5体积％的量存在。
在一个方面，当稳定添加剂包含阳离子路易斯酸时，阳离子路易斯酸可以包含被螯合溶剂溶剂化的金属阳离子，形成溶剂化离子液体。换句话说，在一个方面，非水电解质可以包含溶剂化离子液体，该溶剂化离子液体包含螯合溶剂和盐，其中该盐包含阳离子路易斯酸稳定添加剂的金属阳离子。
还提供了一种电化学装置。该电化学装置包括腔室和稳定添加剂，该腔室包括与还原态的电活性物种电子连通的负极，其中该腔室被配置成接收包括路易斯酸气体的流体混合物。电活性物种、路易斯酸气体和稳定添加剂如本文所公开。
包括还原态的电活性物种、非水电解质和稳定添加剂的电化学电池代表了本发明的另一方面。在一些方面，电化学电池包括第一电极，其包括还原态的电活性物种，其中电活性物种包括氧化态；和至少一种还原态，其中电活性物种与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物。该电化学电池还包括包含互补电活性层的第二电极、第一电极和第二电极之间的第一隔膜、非水电解质和本文所述的稳定添加剂。
基于第一电极的总重量，电活性物种可以以10至90重量％(wt％)的量存在。在该范围内，基于第一电极的总重量，电活性物种可以以至少20wt％、或至少25wt％、或至少30wt％、或至少40wt％、或至少50wt％的量存在。同样在该范围内，基于第一电极的总重量，电活性物种可以以至多80wt％、或至多70wt％、或至多60wt％、或至少50wt％、或至多45wt％或至多40wt％的量存在。例如，基于第一电极的总重量，电活性物种可以以10至75wt％、或10至60wt％、或15至60wt％、或20至55wt％、或25至55wt％、或30至50wt％的量存在。
该第一隔膜可以是多孔隔膜。该隔膜可以包括聚合物膜，例如包括聚酰胺、聚烯烃、聚芳酰胺、聚酯、聚氨酯、丙烯酸树脂等或其组合的膜。聚合物的一侧或两侧可以涂覆有陶瓷纳米颗粒。在一个方面，多孔隔膜可以包括纤维素、合成聚合材料或聚合物/陶瓷复合材料。隔膜的另外的实例可以包括聚偏二氟乙烯(PVDF)隔膜、聚四氟乙烯(PTFE)、PVDF-氧化铝复合材料隔膜等。
隔膜可以用作保护层，该保护层可以防止每个电极处的相应电化学反应相互干扰。隔膜还可以有助于将第一和第二电极彼此电隔离或者与电化学电池内的其他部件电隔离，以防止短路。受益于本公开，普通技术人员将能够选择合适的隔膜。
在一个方面，隔膜可以部分或完全浸渍有非水电解质。用非水电解质浸渍隔膜可以通过浸没(submerging)、涂覆、浸渍(dippin)或以其他方式使隔膜与非水电解质接触来进行。多孔隔膜的一些或所有孔可以部分或完全填充有非水电解质。在一个方面，隔膜可以用非水电解质饱和。
电化学电池的第二电极包括互补的电活性层。互补的电活性复合层包括第二电活性物种，其可以与第一电极的电活性物种相同或不同。
在一个方面，互补的电活性层包括与第一电极相同的电活性物种。在一个方面，互补的电活性层包括与第一电极的第一电活性物种不同的第二电活性物种。在一个方面，互补的电活性层的第二电活性物种可以是电活性有机分子、电活性聚合物、电活性低聚物、电活性无机络合物、电活性茂金属，或者其组合。电活性有机分子、电活性聚合物和电活性低聚物可以如前所述。
在一个方面，第二电活性物种可以是电活性无机络合物，例如下式的碱金属-过渡金属氧化物或碱金属-过渡金属磷酸盐。
AM1X
其中A是Li、Na或K；M1为Ni、Co、Mn、Al、Ti、Mo、Fe、V、Si或其组合；并且X是O2或PO4。在一个方面，第二电活性物种可以为LiFePO4。
在一个方面，互补的电活性层的第二电活性物种包括茂金属。合适的金属茂的示例可以包括但不限于二茂铁，或包含衍生自二茂铁的重复单元的聚合物(例如聚乙烯二茂铁)，或其衍生物。
在电化学电池的操作期间，互补的电活性层的第二电活性物种可以用作用于还原第一电极的电活性物种的电子源。同样，互补的电活性层的第二电活性物种可以在第一电极的电活性物种的氧化过程中充当电子的接收器。
在一个方面，第二电极可以进一步包括基板，该基板可以位于互补的电活性层附近或之间。基板可以与互补的电活性层直接或间接接触。当存在时，基板可以包括例如碳纸(处理过的、TEFLON处理过的或未处理过的)、碳布、非织造碳垫或非织造碳纳米管垫。在一个方面，第二电极的基板可以是导电材料，并且可以充当电化学电池内的集流器。
在一个方面，第一电极可以是负电极，且第二电极可以是正电极。术语负电极和正电极是为了方便和清楚而使用的，尽管它们可能仅在获取或释放路易斯酸气体时在技术上是准确的。
在一个方面，第二电极可以位于第一电极之间。每个第一电极可包含还原态的公开的电活性物种、非水电解质和稳定添加剂。在一个方面，第一电极和/或第二电极可以在配置或组成上相同。
在一个方面，电化学电池包括设置在第一电极和第二电极之间，例如负电极和正电极之间的单个隔膜。电化学电池可以以并联和串联配置的任何合适的组合来组合以形成堆栈。在一个方面，电化学电池可以包括多于一个的隔膜。例如，本领域技术人员将理解，根据串联和并联配置的选定组合，可以使用单个隔膜，或者可以优选多个隔膜。
电化学电池可以任选地进一步包括气体可渗透层。气体可渗透层可以在与隔膜相对的一侧，邻近第一电极设置。气体可渗透层可以包含导电固体材料，并在电池内充当集流器。气体可渗透层可以包含多孔材料。在一个方面，气体可渗透层的孔隙率例如大于或等于60％、大于或等于70％、大于或等于75％、大于或等于80％或更大。在一个方面，气体可渗透层的孔隙率小于或等于85％、小于或等于90％或更大。这些范围的组合是可能的。例如，在一个方面，第一电极的气体可渗透层的孔隙率大于或等于60％、小于或等于90％或更大。其他孔隙率也是可能的。用于气体可渗透层的合适材料的示例包括但不限于碳纸(处理过的、TEFLON处理过的或未处理的)、碳布和非织造碳垫。
电化学电池可以任选地包括气体流场。当存在气体流场时，可以安置在与第一电极相对的一侧上，邻近气体可渗透层。当气体可渗透层不存在于电化学电池中时，气体流场可以安置在与隔膜相对的一侧上，邻近第一电极。
当流体混合物与电化学电池接触时，电化学电池可特别用于从流体混合物中分离路易斯酸气体，因此特别适用于气体分离系统。所述气体分离系统包括与气体入口和气体出口流体连通的多个电化学电池。
流体混合物，也称为输入气体，可以在暴露于电化学电池时至少部分地分离。流体混合物可以是例如环境空气(例如，来自周围环境的空气，例如室外空气)。在一个方面，气体分离系统可以用于直接空气捕获。本文所述的系统和方法可用于直接从环境空气中去除路易斯酸气体，例如二氧化碳(例如，以降低温室气体水平)，而不需要任何预浓缩步骤。本公开的某些方面可以使得本文描述的系统和方法对于直接空气捕获(例如，与路易斯酸气体结合的能力，同时在热力学上不利于与环境空气的主要成分例如氧气反应)特别有用。
在一个方面，例如当流体混合物是环境空气时，流体混合物中路易斯酸气体的浓度相对低。例如，暴露于电化学电池之前流体混合物中的路易斯酸气体的浓度可以小于或等于500ppm，或小于或等于450ppm，或小于或等于400ppm，或小于或等于350ppm，或小于或等于300ppm，或小于或等于200ppm。在一个方面，流体混合物中路易斯酸气体的浓度可以低至100ppm，或低至50ppm，或低至10ppm。
在一个方面，流体混合物(例如，输入流体混合物)是通风空气。通风空气可以是封闭或至少部分封闭的地方中的空气(例如，在封闭的地方循环的空气)。流体混合物(例如，通风空气)可以位于的地方的示例可以包括但不限于密封的建筑物、部分通风的地方、车厢、载人潜水器、航空器等。
通风空气中路易斯酸气体的浓度可以高于环境空气，但低于工业过程中的典型浓度。在一个方面，暴露于电化学电池之前流体混合物中的路易斯酸气体的浓度小于或等于5,000ppm，或小于或等于4,000ppm，或小于或等于2,000ppm，或小于或等于1,000ppm。在一个方面，流体混合物(例如，当它是通风空气/封闭空间中的空气时)中路易斯酸气体的浓度低至1000ppm，或低至800ppm，或低至500ppm，或低至200ppm，或低至100ppm，或低至10ppm。
在一个方面，流体混合物包括氧气(O2)。在一个方面，流体混合物具有相对高浓度的氧气(例如，在暴露于电化学电池之前)。本文描述的系统和方法的某些方面(例如，特定电活性物种的选择、在系统中处理气体的方法等)可以有助于在没有有害干扰的情况下捕获存在氧气的流体混合物中的路易斯酸气体的能力。在一个方面，氧气以大于或等于0vol％，或大于或等于0.1vol％，或大于或等于1vol％，或大于或等于2vol％，或大于或等于5vol％，或大于或等于10vol％，或大于或等于20vol％，或大于或等于50vol％，或大于或等于75vol％，或大于或等于90vol％，或大于或等于95vol％的浓度存在于流体混合物中(例如，在暴露于电化学电池之前)。在一个方面，氧气以小于或等于99vol％，或小于或等于95vol％，或小于或等于90vol％，或小于或等于75vol％，或小于或等于50vol％，或小于或等于25vol％，或小于或等于21vol％，或小于或等于10vol％，或小于或等于5vol％，或小于或等于2vol％的浓度存在于流体混合物中。
在一个方面，流体混合物包括水蒸气。流体混合物可以包括例如水蒸气，因为它是或包括环境空气或通风空气。在一个方面，流体混合物(例如，在暴露于电化学电池之前)具有相对高的相对湿度。例如，在一个方面，在-50至140℃范围内的至少一个温度下，流体混合物的相对湿度可以大于或等于0％，或大于或等于5％，或大于或等于10％，或大于或等于25％，或大于或等于50％，或大于或等于75％，或大于或等于90％。在一个方面，在-50至140℃范围内的至少一个温度下，流体混合物的相对湿度可以小于或等于100％，或小于或等于95％，或小于或等于90％，或大于或等于75％，或小于或等于50％，或小于或等于25％，或小于或等于10％。
通过在气体分离系统的电化学电池上施加电势差，可以在气体分离系统中从流体混合物中分离路易斯酸气体。受益于本公开，普通技术人员将理解如何在电化学电池上施加电势。例如，可以通过将负电极和正电极连接到能够极化负电极和正电极的合适电源来施加电势。在一个方面，电源可以是DC电压。合适的电源的非限制性示例包括电池、电网、再生电源(例如，风力发电机、光伏电池、潮汐能发电机)、发电机等及其组合。
电势差可以在流体混合物暴露于电化学电池的至少一部分时间内施加到电化学电池上。在一个方面，可以在将流体混合物暴露于电化学电池之前施加电势差。
在充电模式期间，向电化学电池施加电势差导致在负电极处的氧化还原反应，其中电活性物种被还原。如本文所讨论的，电活性物种被选择为当其处于还原态时相对于其处于氧化态时对路易斯酸气体具有更大的亲和力。通过还原电活性物种并使流体混合物穿过第一电极，路易斯酸气体可以结合到电活性物种上。以此方式，可以从流体混合物中去除路易斯酸气体，以提供处理过的流体混合物(例如，相对于初始流体混合物，包含更少量的路易斯酸气体)。
在充电模式期间施加在电化学电池上的电势差可以具有特定的电压。施加在电化学电池上的电势差可以取决于例如用于产生第一电活性物种的至少一种还原态的还原电势，以及用于第二电极中电活性物种的还原态和氧化态之间相互转化的标准电势。该电压还包括电流乘以堆栈电化学电阻。在一个方面，电势差为至少0V、或至少0.1V、或至少0.2V、或至少0.5V、或至少0.8V、或至少1.0V、或至少1.5V。在一个方面，电势差小于或等于2.0V、或小于或等于1.5V、或小于或等于0.5V、或者小于或等于0.2V。
在一个方面，当第一电极的电活性物种包括醌时，电活性物种可以被还原到其还原态的至少一种。
在一个方面，当第一电极的电活性物种包括醌并且电活性物种在路易斯酸气体(例如二氧化碳)的存在下被还原时，电活性物种的还原形式可以与二氧化碳结合。
在一个方面，当电活性物种在第一电极被还原时，第二电活性物种(例如，氧化还原活性聚合物，例如聚乙烯二茂铁)在第二电极被氧化。在充电模式期间，第二电活性物种的氧化为驱动第一电活性物种的还原提供了电子源。
虽然上述示例性反应发生在一个方向上，但是应当理解，可以表现出一些可逆性。如本领域普通技术人员所理解的，不同的电活性物种可以发生类似的反应。
在一个方面，在本文所述的过程中，从流体混合物中去除了相对大量的路易斯酸气体。在一些情况下，去除相对大量的路易斯酸气体对于多种应用中的任何一种(例如捕获由于环境原因而释放到大气中的有害气体)都是有益的。例如，路易斯酸气体可以包括二氧化碳，并且从流体混合物中去除相对大量的二氧化碳可以有利于限制过程(例如，工业过程或运输过程)的温室气体影响或者甚至减少房间或大气中的二氧化碳的量(出于加热和空调过程的热力学原因或出于环境原因)。
在一个方面，处理过的流体混合物(例如，在暴露于电化学电池时从其中去除了一定量的路易斯酸气体的流体混合物)中的路易斯酸气体的量小于或等于处理前原始流体混合物中路易斯酸气体的量(以vol％计)(例如，在暴露于电化学电池之前，流体混合物中目标的量)的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％。在一个方面，处理过的流体混合物中路易斯酸气体的量为处理前原始流体混合物中路易斯酸气体的量(以vol％计)的大于或等于0.001％、大于或等于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％。
在一个方面，在至少一部分路易斯酸气体结合到电活性物种之后，可以在电化学电池上施加第二电势差。第二电势差可以不同于第一电势差。在一个方面，施加第二电势差导致释放与电活性物种结合的部分或全部路易斯酸气体以产生第二处理过的流体混合物的步骤。第二处理过的流体混合物可以具有比输入流体混合物更大量的路易斯酸气体。例如，路易斯酸气体可以以这样的量存在于第二处理过的流体混合物中，使得其体积百分比比输入流体混合物中的路易斯酸气体的量大10％、大20％、大50％、大100％、大200％、大1000％和/或至多大2000％、大5000％、大10000％或更多。
在一个方面，将电活性物种、稳定添加剂和非水电解质的混合物(本文称为“电解质溶液”)与电化学电池的第一电极室(半电池)中的第一电极接触，其中电解质溶液中的电活性物种被还原(活化)。电解质溶液也在还原过程期间在第一电极室中同时与路易斯酸气体的流体混合物接触，或者在还原过程之后在液-气接触器中接触。在该接触中，电活性物种与路易斯酸气体结合并捕获路易斯酸气体，形成阴离子加合物。然后将电解质溶液引入电化学电池的第二半电池中，在此与处于氧化电位的第二电极接触，并释放出路易斯酸气体。
气体分离系统可以包括将每个电化学电池的负电极和正电极连接到电源的外部电路，该电源被配置为在每个电化学电池的负电极(阳极)和正电极(阴极)上施加电势差。气体分离系统的每个电化学电池可以如上所述。气体分离系统的电化学电池可以根据本领域通常已知的各种配置(包括并联或串联)堆叠。
在一个方面，气体分离系统包括第一组电化学电池和第二组电化学电池。第一组和第二组中的每一个可以包括一个或多个如贯穿本公开所述的电化学电池。可以使第一和第二组以交替的方式并联运行，使得一组电池在充电模式下运行并从流体混合物中捕获路易斯酸气体(例如，CO2)，而另一组电池在放电模式下运行并释放路易斯酸气体(例如，CO2)。该系统可以包括用于电化学电池组中的每一个的独立外壳。该系统可以进一步包括被布置成以期望的方式引导流动的导管和阀门。气体分离系统可以允许流体混合物(例如，气体料流)的几乎连续的分离，在给定的时刻，流体混合物被引导到以充电/捕获模式运行的电池组，同时通过以放电/释放模式运行的另一组电池产生分离的富含路易斯酸气体的处理过的混合物。此外，根据应用的需要，可以并联或串联添加另外的电化学电池组。
在另一个方面，将电活性物种、稳定添加剂和非水电解质结合以形成“电解质溶液”，其可以与电化学电池的第一电极室(或半电池)中的第一电极接触，其中电解质溶液中的电活性物种处于还原态。在还原过程期间，电解质溶液可以同时在第一电极室中使用液/气接触器与包含路易斯酸气体的流体混合物接触，或者电解质溶液可以在还原过程之后使用液/气接触器与包含路易斯酸气体的流体混合物接触。在该接触步骤中，电活性物种与路易斯酸气体结合并“捕获”路易斯酸气体，形成阴离子加合物。然后可以将电解质溶液转移到电化学电池的第二室(或半电池)中，并与处于氧化电位的第二电极接触，从而释放“捕获的”路易斯酸气体。
流体混合物(例如，气体料流，例如输入气体料流)可以以特定的流速引入气体分离系统。在一个方面，流速可以大于或等于0.001升每秒(L/s)，大于或等于0.005L/s，大于或等于0.01，大于或等于0.05L/s，大于或等于0.1L/s，大于或等于0.5L/s，大于或等于1L/s，大于或等于5L/s，大于或等于10L/s，大于或等于10 50L/s，或大于或等于100L/s。在一个方面，流体混合物(例如，气体料流，例如输入气体料流)的流量可以小于或等于500L/s，小于或等于400L/s，小于或等于300L/s，小于或等于200L/s，小于或等于100L/s，小于或等于50L/s，小于或等于10L/s，小于或等于1L/s，小于或等于0.5L/s，或小于或等于0.1 15L/s。
在一个方面，在释放路易斯酸气体的步骤期间或之后，该方法进一步包括向电化学电池施加真空条件，以从电化学电池中去除至少一部分或全部的释放的路易斯酸气体。受益于本公开，普通技术人员将理解用于向电化学电池施加真空条件的合适技术和设备。例如，真空泵可以流体连接到电化学电池的气体出口。真空泵可以被操作以在电化学电池床和下游位置之间产生负压差。该真空条件可以提供足以使在上述释放步骤期间释放的路易斯酸气体流出电化学电池的力。可以施加真空条件，使得在释放路易斯酸气体期间或之后，电化学电池内部的压力小于或等于760托、小于或等于700托、小于或等于500托、小于或等于100托、小于或等于50托、小于或等于10托、和/或低至5托、低至1托、低至0.5托、低至0.1托。
系统的各种部件，例如电极(例如，负电极、正电极)、电源、隔膜、容器、电路、绝缘材料等，可以由本领域普通技术人员从各种部件中的任何一种来制造。部件可以被模塑、机械加工(machined)、挤压、压制、等压、印刷、渗透、涂覆，处于生坯或烧制状态，或者通过任何其他合适的技术形成。
本文所述的电极(例如，负电极、正电极)可以是任何合适的尺寸或形状。形状的非限制性示例包括片、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，从通风的空气中分离气体、直接空气捕获等)。此外，电极可以包括将电极连接到另一个电极、电源和/或另一个电气设备的装置。本领域的普通技术人员很容易意识到用于形成本文的系统的部件的技术。
该系统的各种电气部件可以通过用于连接的装置与至少一个其他电气部件进行电气通信。用于连接的装置可以是允许电流在第一部件和第二部件之间流动的任何材料。用于连接两个电气部件的装置的非限制性示例是包括导电材料(例如，铜、银等)的导线。在一个方面，该系统可以包括两个或多个部件(例如，导线和电极)之间的电连接器。在一个方面，可以选择导线、电连接器或其他用于连接的装置，使得材料的电阻低。在一个方面，电阻可以显著小于电极、电解质或系统的其他部件的电阻。
本公开的电化学电池和气体分离系统还可以进一步如美国专利申请第16/659,398号中所述，其内容通过引用整体并入本文。
本文描述的电化学电池、系统和方法可以在各种应用中实施。电化学电池或电池组的数量可以根据需要根据特定应用的要求进行调整。以下方面提供了应用的几个非限制性示例。在一个方面，本文所述的系统和方法可用于从环境空气以及封闭空间(例如密闭建筑、汽车舱(降低用于通风的进入空气的加热成本)以及潜水艇和太空舱)中去除路易斯气体(例如，CO2)，其中CO2水平的增加可能是灾难性的。在涉及电力工业的方面，它们可用于捕获燃烧后不同浓度的二氧化碳。在一个方面，所述系统和方法适用于从工业烟气或工业过程气体中分离路易斯酸气体。此外，它们可以用于从烟气中捕获二氧化硫和其他气体。在针对石油和天然气工业的方面，所公开的系统和方法可用于从各种过程中捕获二氧化碳和其他气体，并将它们转移用于下游压缩或加工。所公开的系统和方法可用于从燃烧天然气(其用于在温和和寒冷的气候下加热温室)中捕获二氧化碳，然后将捕获的二氧化碳转移到温室中用于植物的光合作用，即，给植物施肥。
本公开由以下非限制性的实施例进一步说明。
实施例
实施例1
该实施例描述了通过循环伏安法(CV)研究的电活性物种与路易斯酸气体的反应性。
图1示出了在CO2饱和的DMF和100mM六氟磷酸四丁基铵支持电解质中，在存在不同浓度的阳离子路易斯酸添加剂Li(TFSI)的情况下，5,6,7,8-四氯萘醌(1毫摩尔，mM)的重叠(CV)数据。在没有路易斯酸盐添加剂的情况下，对应于半醌阴离子形成(位于约-0.9V)的还原的可逆性在很大程度上得以保留，表明与CO2的弱相互作用形成阴离子加合物。添加路易斯酸盐添加剂Li(TFSI)导致还原电位正移，表明形成的产物是离子配对的CO2结合的物种，而不是未结合的还原物种。
图2示出了在氮气的惰性气氛下的DMF和100mM六氟磷酸四丁基铵支持电解质中，在存在不同浓度的阳离子路易斯酸添加剂Li(TFSI)的情况下，5,6,7,8-四氯萘醌(1mM)的叠加CV数据。对应于半醌还原成醌二阴离子(-1.7V，黑色实线)的第二个氧化还原对对Li(TFSI)敏感，如电位的正移所示。然而，半醌不受影响。这表明形成的产物是离子配对的还原物种，而不是未结合的还原物种。
图3示出了在氮气下在DMF和100mM四丁基铵六氟磷酸盐支持电解质中，2,3-二氟-1,4-苯醌(1mM)的重叠循环伏安法数据，通过醌/半醌氧化还原对(-0.7V)可逆性的丧失和两个新阳极峰(0.0V和0.4V)的形成，证明了与Zn(TFSI)2的强离子对相互作用。由于活性半醌的稳定性，这种类型的不可逆离子对抑制了CO2的反应性。
如实施例1所示，可以选择阳离子路易斯酸稳定添加剂，以在动力学和/或热力学上有利于离子配对的CO2结合物种，而不是未结合的还原物种。
实施例2
该实施例描述了通过循环伏安法(CV)研究的电活性物种与路易斯酸气体的反应性。
图4示出了在N2(实线)、17.5mM CO2(虚线)和1.75mM CO2(点划线)下，6-氰基-1,4-萘醌(6CN)的单电子还原的半醌的反应的重叠UV-可见光谱数据。半醌在二甲基甲酰胺中的浓度为45μM。
图5示出了在N2(实线)、17.5mM CO2(虚线)和1.75mM CO2(点划线)下，在100当量(45mM)LiTFSI的存在下，6CN的单电子还原的半醌的反应的重叠UV-可见光谱数据。半醌在二甲基甲酰胺中的浓度为45μM。
图6示出了在N2(实线)、17.5mM CO2(虚线)和1.75mM CO2(点划线)下，在500当量(22.5mM)LiTFSI的存在下，6CN的单电子还原的半醌的反应的重叠UV-可见光谱数据。半醌在二甲基甲酰胺中的浓度为45μM。
分析图4-6中的数据，以确定在0、100或500当量LiTFSI存在下，6-氰基-1,4-萘醌(6CN)的单电子还原的半醌与CO2的平衡常数(KCO2)。分析结果如表1所示。
表1
样品 KCO2
6CN 16
6CN+100当量LiTFSI 160
6CN+500当量LiTFSI 5,000
表2显示了6CN的单电子还原的半醌与CO2(kCO2)或O2(kO2)的反应的汇总的速率数据。通过对UV-可见光谱吸光度随时间变化的动力学分析来确定反应速率。表2中的E1是峰电位(以伏特对二茂铁(Fc/Fc+)计)。
表2
实施例3
图7示出了在氮气鼓泡的DMF溶液以及100mM四丁基铵六氟磷酸盐支持电解质中，在存在不同浓度的苯酚(PhOH)的情况下，2,3-二苯基萘醌(Ph2NQ)(1mM)的重叠CV数据。图7中的结果证明了在不存在路易斯酸气体的情况下，苯酚滴定(作为氢键给体添加剂)对Ph2NQ的还原态(Ph2NQ-和Ph2NQ2-)的影响。
实施例4
图8示出了在CO2饱和的DMF溶液以及100mM四丁基铵六氟磷酸盐支持电解质中，在存在不同浓度的苯酚(PhOH)的情况下，2,3-二苯基萘醌(Ph2NQ)(1mM)的重叠CV数据。图8中的结果证明了苯酚滴定(作为氢键给体添加剂)对Ph2NQ的还原态和路易斯酸气体间的阴离子加合物(Ph2NQ(CO2)2 2-)的影响。
表3显示了从图7和图8得到的计算的热力学数据，显示了峰电位的移动(ΔE对Ph2NQ)、相对于醌的氢键相互作用的平均数(n)和在苯酚添加剂和相应的还原物种之间形成氢键复合物的平衡常数(Keq)。
表3
实施例5
将的碳纳米管(CNT)垫(作为MiralonTM获得，可从Nanocomp Technologies,Inc.购得)的穿孔圆盘(16mm直径)浸没在聚(5-氰基-2,3-二苯基萘醌)(在NMP中为10mg mL-1)溶液中12小时，然后取出并用甲苯冲洗。将圆盘在65℃的商用脱水机中干燥5小时，然后组装到具有聚(乙烯基二茂铁)对电极和Celgard 3401隔膜的电池中，该电池位于具有6mL顶部空间体积的CO2气氛的密封电池中。在一个电池中，电解质是离子液体Bmim-TFSI；使用Bmim-TFSI中的100mM LiTFSI制备相同的电池。
图9示出了这两个电极中的每一个的施加电势(左)和每次循环的充电容量(右)，说明了在100mM锂的存在下，在较温和的电势下充电开始增加。
图10示出了使用不含锂的Bmim-TFSI电解质的密封电池的顶部空间中的压力变化(右)作为施加电势(左)的函数。随着CO2在充电期间被电极捕获，顶部空间压力降低，而随着CO2在释放期间被释放，顶部空间压力升高。
图11示出了具有100mM锂的Bmim-TFSI电解质的密封电池的顶部空间中的压力变化(右)作为施加电势(左)的函数。随着CO2在充电期间被电极捕获，顶部空间压力降低，而随着CO2在释放期间被释放，顶部空间压力升高。与图10的比较说明了在明显更温和的施加电势下CO2捕获的开始。
实施例6
压力密封电池可以证明循环数据，该数据显示在溶于BMIM TFSI电解质中的100mM苯酚的存在下，聚(5-氰基-2,3-二苯基萘醌)对CO2吸收的改善。
实施例7
压力密封电池可以证明循环数据，该数据显示在溶于BMIM TFSI电解质中的1M苯酚的存在下，聚(5-氰基-2,3-二苯基萘醌)对CO2吸收的改善。
实施例8
压力密封电池可以证明循环数据，该数据显示在溶于BMIM TFSI电解质中的100mM4-氟苯酚的存在下，聚(5-氰基-2,3-二苯基萘醌)对CO2吸收的改善。
实施例9
图12示出了在氮气的惰性气氛下的DMF和100mM六氟磷酸四丁基铵支持电解质中，在存在不同浓度的氢键给体添加剂1,3-二苯脲的情况下，菲醌(1mM)的叠加CV数据。对应于醌还原成半醌(-1.1V)的第一个氧化还原对和半醌还原成二价阴离子(-1.9V)的第二个氧化还原对对二苯脲敏感，正如两个氧化还原对的电位正移所示。这表明形成的产物是氢键结合的、稳定的还原物种。
图13示出了在CO2饱和的DMF和100mM六氟磷酸四丁基铵支持电解质中，在存在不同浓度的阳离子路易斯酸添加剂1,3-二苯脲的情况下，菲醌(1毫摩尔，mM)的重叠CV数据。添加剂导致还原/捕获峰(从-1.1V到-0.9V)和释放峰(从-0.8V到-0.4V)发生正偏移。这表明氢键添加剂1,3-二苯脲的加入导致还原电位的正移，表明形成的产物是氢键稳定的CO2结合物种，而不是未结合的还原物种。
实施例10
图14示出了在氮气的惰性气氛下的DMF和100mM六氟磷酸四丁基铵支持电解质中，在存在不同浓度的氢键给体添加剂1,3-二苯胍的情况下，菲醌(1mM)的叠加CV数据。对应于醌还原成半醌(-1.1V)的第一个氧化还原对和半醌还原成二价阴离子(-1.9V)的第二个氧化还原对对二苯脲敏感，正如两个氧化还原对的电位正移所示。这表明形成的产物是氢键结合的、稳定的还原物种。
图15示出了在CO2饱和的DMF和100mM六氟磷酸四丁基铵支持电解质中，在不同浓度的阳离子路易斯酸添加剂1,3-二苯胍的存在下，菲醌(1毫摩尔，mM)的重叠(CV)数据。添加剂导致还原/捕获峰(从-1.1V到-0.9V)和释放峰(从-0.8V到-0.6V)发生正偏移。这表明氢键添加剂1,3-二苯胍的加入导致还原电位的正移，表明形成的产物是氢键稳定的CO2结合物种，而不是未结合的还原物种。
实施例11
图16示出了在氮气的惰性气氛下的DMF和具有(实线)和不具有(虚线)聚合物氢键给体添加剂聚(苯乙烯-共-烯丙醇)共聚物(100mg/mL)的100mM六氟磷酸四丁基铵支持电解质中，1,4-萘醌(1mM)的重叠CV数据。对应于半醌/二阴离子氧化还原对的第二氧化还原对对聚合醇敏感，如从-1.9V(虚线)到-1.6V(实线)的电位正移所示。这表明形成的产物是氢键稳定的物种。
图17示出了在CO2饱和的DMF和具有(灰线)和不具有(黑线)聚合物氢键给体添加剂聚(苯乙烯-共-烯丙醇)共聚物(100mg/mL)的100mM六氟磷酸四丁基铵支持电解质中，1,4-萘醌(1mM)的重叠CV数据。添加剂导致第一和第二还原峰聚结，以及CO2加合物氧化(释放)峰从-0.6V(黑线)正移至-0.4V(灰线)，表明形成的产物是氢键稳定的CO2结合物种，而不是未结合的还原物种。
实施例12
图18示出了1,4-萘醌(28mM)在CO2饱和的溶剂化离子液体电解质中的重叠CV数据(实线)，所述溶剂化离子液体电解质包含具有作为盐的LiTFSI的四乙二醇二甲醚和阳离子路易斯酸稳定添加剂。图18还示出了在CO2饱和的DMF中的1,4-萘醌(1mM)、二茂铁(1mM)、LiTFSI(10mM)和100mM的四丁基铵六氟磷酸盐支持电解质(虚线)。图18示出了使用溶剂化离子液体作为电解质可以提供萘醌还原电位的阳极偏移以及CO2捕获和释放峰之间电位差的增加，表明在溶剂化离子液体存在下形成的产物提供了进一步稳定的CO2结合物种，并说明了在明显更温和的施加电位下CO2捕获的开始。
实施例13
图19示出了2,3-二氯萘醌(6mM)在CO2饱和的溶剂化离子液体电解质中的重叠CV数据(实线)，所述溶剂化离子液体电解质包含具有作为盐的LiTFSI的四乙二醇二甲醚和阳离子路易斯酸稳定添加剂。图19还示出了在CO2饱和的四乙二醇二甲醚中的2,3-二氯萘醌(1mM)、二茂铁(1mM)和100mM的LiTFSI支持电解质(虚线)。图19示出了使用溶剂化离子液体作为电解质可以提供2,3-二氯萘醌还原电位的阳极偏移以及CO2捕获和释放峰之间电位差的增加，表明在溶剂化离子液体存在下形成的产物提供了进一步稳定的CO2结合物种，并说明了在明显更温和的施加电位下CO2捕获的开始。
本公开还包括以下方面。
方面1：一种用于从流体混合物中分离路易斯酸气体的方法，该方法包括：使流体混合物与以下物质接触：还原态的电活性物种；非水电解质；和稳定添加剂，以在路易斯酸气体和还原态的电活性物种之间形成阴离子加合物，其中该电活性物种包括：氧化态，和至少一种还原态其中电活性物种与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物，其中稳定添加剂包含阳离子路易斯酸、氢键给体或其组合，并且其中稳定添加剂以有效量存在以：在动力学上有利于由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物，在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物，或者在动力学上有利于由还原的电活性物种形成阴离子加合物，并且在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物。
方面2：根据方面1所述的方法，其中稳定添加剂不是支持电解质。
方面3：根据方面1或2所述的方法，其中至少一部分非水电解质是稳定添加剂。
方面4：根据方面1至3中任一项所述的方法，其中在存在有效量的稳定添加剂的情况下，还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数大于在不存在有效量的稳定添加剂的情况下还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数。
方面5：根据方面1至3中任一项所述的方法，其中在有效量的稳定添加剂的存在下，由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成的阴离子加合物在动力学上比在不存在有效量的稳定添加剂的情况下由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利。
方面6：根据方面1至5中任一项所述的方法，其中所述电活性物种包括电活性聚合物、电活性低聚物、电活性有机化合物、电活性无机络合物、电活性有机金属络合物或其组合。
方面7：根据方面1至5中任一项所述的方法，其中所述电活性物种包括：取代或未取代的醌、取代或未取代的四酮、取代或未取代的联吡啶鎓、取代或未取代的联吡啶、取代或未取代的吩嗪、取代或未取代的苯并咪唑、取代或未替代的苯并三唑、取代或未取代的吲哚、取代或未取代的紫精、取代或未取代的吡嗪鎓、取代或未取代的嘧啶鎓、取代或未取代的喹啉、取代或未取代的异喹啉、取代或未取代的喹喔啉鎓、取代或未取代的吡喃鎓、取代或未取代的吡嗪、取代或未取代的吡啶鎓、取代或未取代的四唑鎓、取代或未取代的四联氮基(verdazyl)、取代或未取代的咯嗪，取代或未取代的异咯嗪、取代或未取代的醌二甲烷、取代或未取代的三氰基乙烯基苯、取代或未取代的四氰基乙烯、取代或未取代的硫酮、取代或未取代的硫醌、取代或未取代的二硫化物或其组合，优选取代或未取代的1,4-苯醌、取代或未取代的1,2-苯醌、取代或未取代的1,4-萘醌、取代或未取代的1,2-萘醌，取代或未取代的2,3-二氨基萘、取代或未取代的蒽醌、取代或未取代的菲醌、取代或未取代的苯并蒽醌、取代或未取代的二苯并蒽醌、取代或未取代的4,5,9,10-芘四酮、取代或未取代的吲哚、取代或未取代的喹啉、取代或未取代的异喹啉、取代或未取代的苯并咪唑、取代或未取代的苯并三唑或其组合；或者包含衍生自取代或未取代的醌、取代或未取代的四酮、取代或未取代的联吡啶鎓、取代或未取代的联吡啶、取代或未取代的吩嗪、取代或未取代的苯并咪唑、取代或未取代的苯并三唑、取代或未取代的吲哚、取代或未取代的紫精、取代或未取代的吡嗪鎓、取代或未取代的嘧啶鎓、取代或未取代的喹啉、取代或未取代的异喹啉、取代或未取代的喹喔啉鎓、取代或未取代的吡喃鎓、取代或未取代的吡嗪、取代或未取代的吡啶鎓、取代或未取代的四唑鎓、取代或未取代的四联氮基、取代或未取代的喹喔啉二甲烷、取代或未取代的三氰基乙烯基苯、取代或未取代的四氰基乙烯、取代或未取代的硫酮、取代或未取代的硫醌、取代或未取代的二硫化物或其组合；优选地，聚合物或低聚物包含衍生自取代或未取代的1,4-苯醌、取代或未取代的1,2-苯醌、取代或未取代的1,4-萘醌、取代或未取代的1,2-萘醌、取代或未取代的2,3-二氨基萘，取代或未取代的蒽醌、取代或未取代的菲醌、取代或未取代的苯并蒽醌、取代或未取代的二苯并蒽醌、取代或未取代的4,5,9,10-芘四酮、取代或未取代的吲哚、取代或未取代的喹啉、取代或未取代的异喹啉、取代或未取代的苯并咪唑、取代或未取代的苯并三唑或其组合。
方面8：根据方面1至7中任一项所述的方法，其中路易斯酸气体是CO2、COS、SO、SO3、R2SO4、NO2、NO3、R3PO4、R2S、RCOOR′、RCHO、R′2CO、R′NCO、R′NCS、BR″3、R″3BO3或其组合，其中每个R独立地是氢、C1-12烷基、C3-12环烷基、C1-12杂环烷基、C6-20芳基或C1-12杂芳基；每个R′独立地为C1-12烷基、C3-12环烷基、C1-12杂环烷基、C6-20芳基或C1-12杂芳基；并且每个R″独立地为氢、卤素、C1-12烷基、C3-12环烷基、C1-12杂环烷基、C6-20芳基或C1-12杂芳基。
方面9：根据方面1至8中任一项所述的方法，其中非水电解质包括有机电解质、离子液体、溶剂化物离子液体或其组合，其中所述有机电解质包括有机溶剂和支持电解质，优选其中所述有机溶剂为乙腈、二甲基甲酰胺、碳酸亚丙酯、二甲基亚砜、聚乙二醇、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚(trigylyme)、四乙二醇二甲醚(tetraglyme)、五乙二醇二乙醚(pentaglyme)、18-冠-6醚，或其组合。
方面10：根据方面1至9中任一项所述的方法，其中非水电解质包括离子液体，优选其中离子液体阳离子为未取代或取代的咪唑鎓、未取代或取代的吗啉鎓、未取代或取代的吡啶鎓、未取代或取代的吡咯烷鎓、未取代或取代的哌啶鎓、未取代或取代的哌嗪鎓、未取代或取代的吡嗪鎓或其组合，更优选地其中离子液体是1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(氟磺酰基)酰亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(五氟磺酰基)酰亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑鎓双氰基胺、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、1-丁基-3-甲基吡啶鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、N-甲基-N-丙基哌啶鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺或其组合。
方面11：根据方面1至10中任一项所述的方法，其中沸水电解质包括溶剂化离子液体，该溶剂化离子液体包含螯合溶剂和盐的，优选地，其中螯合溶剂包含三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、五乙二醇二甲醚、18-冠-6醚或其组合；并且其中盐包括碱金属盐、碱土金属盐或其组合。
方面12：根据方面1至11中任一项所述的方法，其中电活性物种包含为取代或未取代的醌或四酮的含醌化合物，包含衍生自取代或未取代的醌或四酮的重复单元的聚合物或低聚物，或其组合，其中阴离子加合物在半醌阴离子或醌二阴离子和路易斯酸气体之间形成。
方面13：根据方面1至12中任一项所述的方法，其中稳定添加剂是阳离子路易斯酸，且半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间形成的阴离子加合物在热力学上比半醌阴离子或醌二阴离子与阳离子路易斯酸之间形成的阴离子加合物更稳定。
方面14：根据方面1至13中任一项所述的方法，其中在阳离子路易斯酸的存在下，半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的反应平衡常数大于在不存在阳离子路易斯酸的情况下半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的反应平衡常数。
方面15：根据方面1至14中任一项所述的方法，其中阳离子路易斯酸和阴离子加合物之间的离子键强度大于半醌阴离子或醌二阴离子和阳离子路易斯酸之间的离子键强度。
方面16：根据方面1至15中任一项所述的方法，其中阳离子路易斯酸和阴离子加合物之间的缔合常数大于半醌阴离子或醌二阴离子和阳离子路易斯酸之间的缔合常数。
方面17：根据方面1至16中任一项所述的方法，其中在有效量的阳离子路易斯酸的存在下，半醌阴离子或醌二阴离子和路易斯酸气体之间的缔合常数大于在不存在有效量的阳离子路易斯酸的情况下半醌阴离子或醌二阴离子和路易斯酸气体之间的缔合常数。
方面18：根据方面1至17中任一项所述的方法，其中在有效量的阳离子路易斯酸的存在下，由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物在动力学上比在不存在有效量的稳定添加剂的情况下由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利。
方面19：根据方面1至18中任一项所述的方法，其中阳离子路易斯酸包含金属阳离子，优选其中金属阳离子是第1族元素、第2族元素、稀土元素、第11族元素、第12族元素、第13族元素或其组合；更优选地其中金属阳离子是Li、Na、K、Mg、Ca、Sc、La、Al、Zn或其组合。
方面20：根据方面1至19中任一项所述的方法，其中非水电解质包括溶剂化离子液体，该溶剂化离子液体包含螯合溶剂和盐的，其中该盐包含阳离子路易斯酸的金属阳离子。
方面21：根据方面1至20中任一项所述的方法，其中稳定添加剂包含氢键给体，优选其中氢键给体的氢原子和阴离子加合物之间的氢键强度大于氢键给体的氢原子和半醌阴离子或醌二阴离子之间的氢键强度。
方面22：根据方面1至21中任一项所述的方法，其中稳定添加剂包括氢键给体，优选其中氢键给体的氢原子和阴离子加合物之间的氢键强度大于氢键给体的氢原子和半醌阴离子或醌二阴离子之间的氢键强度。
方面23：根据方面1至22中任一项所述的方法，其中稳定添加剂是氢键给体，在存在氢键给体的情况下半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的反应平衡常数大于在不存在氢键给体的情况下半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的反应平衡常数。
方面24：根据方面1至23中任一项所述的方法，其中稳定添加剂是氢键给体，氢键给体和阴离子加合物之间的缔合常数大于半醌阴离子或醌二阴离子和氢键给体之间的缔合常数。
方面25：根据方面1至24中任一项所述的方法，其中稳定添加剂是氢键给体，在有效量的氢键给体的存在下，半醌阴离子或醌二阴离子和路易斯酸气体之间的缔合常数大于在不存在有效量的氢键给体的情况下半醌阴离子或醌二阴离子和路易斯酸气体之间的缔合常数。
方面26：在一些方面，在存在有效量的氢键给体的情况下，由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物在动力学上比在不存在有效量的氢键给体的情况下由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利。
方面27：根据方面1至26中任一项所述的方法，其中氢键给体包含羟基、铵基、苯胺基、吡啶基、咪唑基、羧酸基、硫醇基、脲基、胍基、硫脲基或其组合；优选地，其中氢键给体具有酚羟基或者是水。
方面28：根据方面1至27中任一项所述的方法，其中氢键给体具有多于一个的氢键基团，该氢键基团能够通过多于一种的结合模式结合至还原的电活性物种和路易斯酸气体。
方面29：根据方面1至28中任一项所述的方法，其中氢键给体是聚合物化合物，其包括羟基、铵基、苯胺基、吡啶基、咪唑基、羧酸基、硫醇基、脲基、胍基、硫脲基或其组合中的一种或多种。
方面30：一种电化学装置，包括：腔室，该腔室包括与还原态的电活性物种电子连通的负电极、非水电解质和稳定添加剂，其中该腔室被配置成接收包含路易斯酸气体的流体混合物，其中该电活性物种包括：氧化态，和至少一种还原态其中电活性物种与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物，其中稳定添加剂包含阳离子路易斯酸、氢键给体或其组合，并且其中稳定添加剂以有效量存在以：在动力学上有利于在路易斯酸气体和还原的电活性物种之间形成阴离子加合物，在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物，或者在动力学上有利于在路易斯酸气体和还原的电活性物种之间形成阴离子加合物，并且在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物。
方面31：一种气体分离系统，包括与气体入口和气体出口流体连通的多个电化学电池，其中多个电化学电池中的每一个包括：第一电极，其包含还原态的电活性物种，其中所述电活性物种包含氧化态和至少一种还原态，所述还原态与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物；包含互补电活性层的第二电极；第一电极和第二电极之间的第一隔膜；非水电解质；和稳定添加剂，其中稳定添加剂包含阳离子路易斯酸、氢键给体或其组合，其中稳定添加剂以有效量存在以:在动力学上有利于由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物，在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物，或者在动力学上有利于由还原的电活性物种形成阴离子加合物，且在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物。
组合物、方法和制品可替代地包括本文公开的任何合适的材料、步骤或组分，由其组成或基本上由组成。组合物、方法和制品可以另外地或替代地被配制为没有或基本上没有任何对实现组合物、方法和制品的功能或目标而言不是必需的材料(或物质)、步骤或组分。
本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以彼此独立地组合。“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于区分一个元素与另一个元素。除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则术语“一(a)”和“一(an)”和“所述(the)”不表示数量限制，应解释为涵盖单数和复数。“或”是指“和/或”，除非另有明确说明。在整个说明书中对“一个方面”的引用表示结合该方面描述的特定元素被包括在本文描述的至少一个方面中并且在其他方面中可以存在也可以不存在。本文使用的术语“其组合”包括一个或多个列出的元素，并且是开放的，允许存在一个或多个未命名的类似元素。另外，应当理解，所描述的元素可以在各个方面以任何合适的方式组合。
除非本文另有相反的说明，否则所有的测试标准均是截至本申请申请日或者，如果要求优先权，测试标准出现的最早优先权申请的申请日的最新有效标准。
除非另有定义，否则本文使用的技术和科学术语具有与本申请所属领域的技术人员通常理解的相同的含义。所有引用的专利、专利申请和其他参考文献都通过引用整体并入本文。然而，如果本申请中的术语与并入的参考文献中的术语矛盾或冲突，则本申请中的术语优先于并入的参考文献中的冲突术语。
使用标准命名法描述化合物。例如，未被任何指定基团取代的任何位置被理解为其化合价被指定的键或氢原子填充。不在两个字母或符号之间的破折号(“-”)用于表示取代基的连接点。例如，-CHO通过羰基的碳连接。
如本文所用，术语“烃基”，无论是单独使用，还是作为另一术语的前缀、后缀或片段使用，都是指仅含有碳和氢的残基。该残基可以是脂族或芳香族的、直链的、环状的、双环的、支链的、饱和的或不饱和的。它还可以含有脂族、芳香族、直链、环状、双环、支链、饱和和不饱和烃部分的组合。然而，当烃基残基被描述为被取代时，它可以任选地在取代基残基的碳和氢成员上含有杂原子。因此，当具体描述为被取代时，烃基残基也可以含有一个或多个羰基、氨基、羟基等，或者它可以在烃基残基的主链中包含杂原子。术语“烷基”是指支链或直链的饱和脂族烃基，例如甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、仲戊基和正己基和仲己基。“烯基”是指具有至少一个碳-碳双键的直链或支链的一价烃基(例如乙烯基(-HC＝CH2))。“烷氧基”是指通过氧连接的烷基(即，烷基-O-)，例如甲氧基、乙氧基和仲丁氧基。“亚烷基”是指直链或支链的饱和二价脂族烃基(例如，亚甲基(-CH2-)或亚丙基(-(CH2)3-)。“环亚烷基”是指二价环亚烷基-CnH2n-x，其中x是被环化取代的氢的数量。“环烯基”是指具有一个或多个环和环中一个或多个碳-碳双键的单价基团，其中所有环成员都是碳(例如，环戊基和环己基)。“芳基”是指含有特定数量碳原子的芳烃基团，例如苯基、环庚三烯酮、茚满基或萘基。“亚芳基”是指二价芳基。“烷基亚芳基”是指被烷基取代的亚芳基。“芳基亚烷基”是指被芳基取代的亚烷基(例如苄基)。前缀“卤素”是指包括一个或多个氟、氯、溴或碘取代基的基团或化合物。可以存在不同卤原子(例如，溴和氟)的组合，或者仅存在氯原子。前缀“杂”是指化合物或基团包括至少一个杂原子(例如1、2或3个杂原子)的环成员，其中所述杂原子各自独立地为N、O、S、Si或P。“取代的”是指该化合物或基团被至少一个(例如，1、2、3或4)取代基取代，这些取代基可以各自独立地为C1-9烷氧基、C1-9卤代烷氧基、硝基(-NO2)、氰基(-CN)、C1-6烷基磺酰基(-S(＝O)2-烷基)、C6-12芳基磺酰基(-S(＝O)2-芳基)、硫醇(-SH)、硫氰基(-SCN)、甲苯磺酰基(CH3C6H4SO2-)、C3-12环烷基、C2-12烯基、C5-12环烯基、C6-12芳基、C7-13芳基亚烷基、C4-12杂环烷基、C3-12杂芳基、卤素、羰基(-C(＝O)OH)、C1-6烷基酯(-C(＝O)O-烷基)或C1-6烷基酰胺(-C(＝O)N(烷基)2)而不是氢，条件是不超过取代原子的正常化合价。基团中所示的碳原子数不包括任何取代基。例如-CH2CH2CN包括被腈(-CN)取代的C2烷基(-CH2CH3)。
虽然已经描述了特定的方面，但是发明人或本领域的其他技术人员可能会想到目前无法预见或可能无法预见的替代、修改、变化、改进和实质等同物。因此，所提交的所附权利要求及其可能的修改旨在包含所有这样的替换、修改、变化、改进和实质等同物。

Claims (31)

1.一种从包含路易斯酸气体的流体混合物中分离路易斯酸气体的方法，所述方法包括：
使所述流体混合物与以下物质接触：
还原态的电活性物种；
非水电解质；和
稳定添加剂，
以在路易斯酸气体和还原态的电活性物种之间形成阴离子加合物，
其中所述电活性物种包括：
氧化态，和
至少一种还原态，其中电活性物种与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物，
其中稳定添加剂包括阳离子路易斯酸、氢键给体或其组合，且
其中所述稳定添加剂以有效量存在以
在动力学上有利于由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物，
在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物，或
在动力学上有利于由还原的电活性物种形成阴离子加合物，且在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中稳定添加剂不是支持电解质。
3.根据权利要求1所述的方法，其中至少一部分非水电解质是稳定添加剂。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在存在有效量的稳定添加剂的情况下，还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数大于在不存在有效量的稳定添加剂的情况下还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在有效量的稳定添加剂的存在下，由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成的阴离子加合物在动力学上比在不存在有效量的稳定添加剂的情况下由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述电活性物种包括电活性聚合物、电活性低聚物、电活性有机化合物、电活性无机络合物、电活性有机金属络合物或其组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述电活性物种包括：
取代或未取代的醌、取代或未取代的四酮、取代或未取代的联吡啶鎓、取代或未取代的联吡啶、取代或未取代的吩嗪、取代或未取代的苯并咪唑、取代或未替代的苯并三唑、取代或未取代的吲哚、取代或未取代的紫精、取代或未取代的吡嗪鎓、取代或未取代的嘧啶鎓、取代或未取代的喹啉、取代或未取代的异喹啉、取代或未取代的喹喔啉鎓、取代或未取代的吡喃鎓、取代或未取代的吡嗪、取代或未取代的吡啶鎓、取代或未取代的四唑鎓、取代或未取代的四联氮基(verdazyl)、取代或未取代的咯嗪，取代或未取代的异咯嗪、取代或未取代的醌二甲烷、取代或未取代的三氰基乙烯基苯、取代或未取代的四氰基乙烯、取代或未取代的硫酮、取代或未取代的硫醌、取代或未取代的二硫化物或其组合。
优选地，取代或未取代的1,4-苯醌、取代或未取代的1,2-苯醌、取代或未取代的1,4-萘醌、取代或未取代的1,2-萘醌、取代或未取代的2,3-二氨基萘、取代或未取代的蒽醌、取代或未取代的菲醌、取代或未取代的苯并蒽醌、取代或未取代的二苯并蒽醌、取代或未取代的4,5,9,10-芘四酮、取代或未取代的吲哚、取代或未取代的喹啉、取代或未取代的异喹啉、取代或未取代的苯并咪唑、取代或未取代的苯并三唑或其组合；或
聚合物或低聚物，其包含衍生自以下的重复单元：取代或未取代的醌、取代或未取代的四酮、取代或未取代的联吡啶鎓、取代或未取代的联吡啶、取代或未取代的吩嗪、取代或未取代的苯并咪唑、取代或未替代的苯并三唑、取代或未取代的吲哚、取代或未取代的紫精、取代或未取代的吡嗪鎓、取代或未取代的嘧啶鎓、取代或未取代的喹啉、取代或未取代的异喹啉、取代或未取代的喹喔啉鎓、取代或未取代的吡喃鎓、取代或未取代的吡嗪、取代或未取代的吡啶鎓、取代或未取代的四唑鎓、取代或未取代的四联氮基、取代或未取代的醌二甲烷、取代或未取代的三氰基乙烯基苯、取代或未取代的四氰基乙烯、取代或未取代的硫酮、取代或未取代的硫醌、取代或未取代的二硫化物或其组合；
优选地，聚合物或低聚物，其包括一个或多个衍生自以下的重复单元：取代或未取代的1,4-苯醌、取代或未取代的1,2-苯醌、取代或未取代的1,4-萘醌、取代或未取代的1,2-萘醌、取代或未取代的2,3-二氨基萘、取代或未取代的蒽醌、取代或未取代的菲醌、取代或未取代的苯并蒽醌、取代或未取代的二苯并蒽醌、取代或未取代的4,5,9,10-芘四酮、取代或未取代的吲哚、取代或未取代的喹啉、取代或未取代的异喹啉、取代或未取代的苯并咪唑、取代或未取代的苯并三唑或其组合。
8.根据权利要求1所述的方法，其中
路易斯酸气体是CO2、COS、SO2、SO3、R2SO4、NO2、NO3、R3PO4、R2S、RCOOR′、RCHO、R′2CO、R′NCO、R′NCS、BR″3、R″3BO3，或其组合，其中
每个R独立地是氢、C1-12烷基、C3-12环烷基、C1-12杂环烷基、C6-20芳基或C1-12杂芳基；
每个R′独立地是C1-12烷基、C3-12环烷基、C1-12杂环烷基、C6-20芳基或C1-12杂芳基；且
每个R″独立地是氢、卤素、C1-12烷基、C3-12环烷基、C1-12杂环烷基、C6-20芳基或C1-12杂芳基。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述非水电解质包括有机电解质、离子液体、溶剂化离子液体或其组合，
其中所述有机电解质包括有机溶剂和支持电解质，
优选地其中所述有机溶剂为乙腈、二甲基甲酰胺、碳酸丙烯酯、二甲基亚砜、聚乙二醇、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、五乙二醇二乙醚、18-冠-6醚或其组合。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述非水电解质包括离子液体，
优选地其中所述离子液体阳离子是未取代或取代的咪唑鎓、未取代或取代的吗啉鎓、未取代或取代的吡啶鎓、未取代或取代的吡咯烷鎓、未取代或取代的哌啶鎓、未取代或取代的哌嗪鎓、未取代或取代的吡嗪鎓或其组合，
更优选地其中所述离子液体是1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(氟磺酰基)酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(五氟磺酰基)酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑鎓二氰胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基吡啶双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺盐、N-甲基-N-丙基哌啶双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺盐或其组合。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述非水电解质包括含有螯合溶剂和盐的溶剂化离子液体，
优选地，
其中所述螯合溶剂包括三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、五乙二醇二甲醚、18-冠-6醚或其；且
其中所述盐包括碱金属盐、碱土金属盐或其组合。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述电活性物种包含：为取代或未取代的醌或四酮的含醌化合物，包含衍生自取代或未取代的醌或四酮的重复单元的聚合物或低聚物，或其组合，
其中所述阴离子加合物在半醌阴离子或醌二阴离子和路易斯酸气体之间形成。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述稳定添加剂是阳离子路易斯酸，且半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间形成的阴离子加合物在热力学上比半醌阴离子或醌二阴离子与阳离子路易斯酸之间形成的阴离子加合物更稳定。
14.根据权利要求1所述的方法，其中在阳离子路易斯酸的存在下，半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的反应平衡常数大于在不存在阳离子路易斯酸的情况下半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的反应平衡常数。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述阳离子路易斯酸和所述阴离子加合物之间的离子键强度大于半醌阴离子或醌二阴离子和阳离子路易斯酸之间的离子键强度。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述阳离子路易斯酸和所述阴离子加合物之间的缔合常数大于半醌阴离子或醌二阴离子和阳离子路易斯酸之间的缔合常数。
17.根据权利要求1所述的方法，其中在有效量的阳离子路易斯酸的存在下，半醌阴离子或醌二阴离子和路易斯酸气体之间的缔合常数大于在不存在有效量的阳离子路易斯酸的情况下半醌阴离子或醌二阴离子和路易斯酸气体之间的缔合常数。
18.根据权利要求1所述的方法，其中在有效量的阳离子路易斯酸的存在下，由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物在动力学上比在不存在有效量的稳定添加剂的情况下由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述阳离子路易斯酸包含金属阳离子，优选其中所述金属阳离子是第1族元素、第2族元素、稀土元素、第11族元素、第12族元素、第13族元素或其组合；更优选地其中所述金属阳离子是Li、Na、K、Mg、Ca、Sc、La、Al、Zn或其组合。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述非水电解质包括溶剂化离子液体，所述溶剂化离子液体包含螯合溶剂和盐，其中所述盐包含阳离子路易斯酸的金属阳离子。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述稳定添加剂包含氢键给体，优选其中氢键给体的氢原子和阴离子加合物之间的氢键强度大于氢键给体的氢原子和半醌阴离子或醌二阴离子之间的氢键强度。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述稳定添加剂为氢键给体，并且半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的阴离子加合物在热力学上比半醌阴离子或者醌二离子与氢键给体之间形成的加合物更稳定。
23.根据权利要求1所述的方法，其中所述稳定添加剂是氢键给体，且在存在氢键给体的情况下半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的反应平衡常数大于在不存在氢键给体的情况下半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的反应平衡常数。
24.根据权利要求1所述的方法，其中所述稳定添加剂是氢键给体，且氢键给体和阴离子加合物之间的缔合常数大于半醌阴离子或醌二阴离子和氢键给体之间的缔合常数。
25.根据权利要求1所述的方法，其中所述稳定添加剂是氢键给体，且在有效量的氢键给体的存在下，半醌阴离子或醌二阴离子和路易斯酸气体之间的缔合常数大于在不存在有效量的氢键给体的情况下半醌阴离子或醌二阴离子和路易斯酸气体之间的缔合常数。
26.根据权利要求1所述的方法，其中在存在有效量的氢键给体的情况下，由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物在动力学上比在不存在有效量的氢键给体的情况下由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利。
27.根据权利要求1所述的方法，其中所述氢键给体包含羟基、铵基、苯胺基、吡啶基、咪唑基、羧酸基、硫醇基、脲基、胍基、硫脲基或其组合；优选地，其中氢键给体具有酚羟基或者是水。
28.根据权利要求1所述的方法，其中所述氢键给体具有多于一个的氢键基团，所述氢键基团能够通过多于一种的结合模式结合至还原的电活性物种和路易斯酸气体。
29.根据权利要求1所述的方法，其中所述氢键给体是聚合物化合物，所述聚合物化合物包括羟基、铵基、苯胺基、吡啶基、咪唑基、羧酸基、硫醇基、脲基、胍基、硫脲基或其组合中的一种或多种。
30.一种电化学装置，包括
腔室，其包括与还原态的电活性物种电子连通的负电极，非水电解质和稳定添加剂，其中所述腔室被配置成接收包括路易斯酸气体的流体混合物，
其中所述电活性物种包括：
氧化态，和
至少一种还原态，其中所述电活性物种与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物，
其中所述稳定添加剂包括阳离子路易斯酸、氢键给体或其组合，且
其中所述稳定添加剂以有效量存在以：
在动力学上有利于在路易斯酸气体和还原的电活性物种之间形成阴离子加合物，
热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物，或
在动力学上有利于在路易斯酸气体和还原的电活性物种之间形成阴离子加合物，且在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物。
31.一种气体分离系统，包括与气体入口和气体出口流体连通的多个电化学电池，其中多个电化学电池中的每一个包括：
第一电极，其包括还原态的电活性物种，其中所述电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，所述还原态与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物；
第二电极，其包括互补的电活性层；
所述第一电极和第二电极之间的第一隔膜；和
非水电解质，其包括稳定添加剂，其中所述稳定添加剂包括阳离子路易斯酸、氢键给体或其组合，
其中所述稳定添加剂以有效量存在以：
在动力学上有利于由还原的电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物，
在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物，或
在动力学上有利于由还原的电活性物种形成阴离子加合物，且在热力学上有利于在阴离子加合物和还原的电活性物种之间的热力学平衡中形成阴离子加合物。
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