CN117561108A - 电活性物种和电化学气体分离的方法 - Google Patents

电活性物种和电化学气体分离的方法 Download PDF

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Abstract

电活性物种包含醌核结构和至少一个与其共价结合的稳定基团。该稳定基团包括阳离子基团、氢键供体或其组合。电活性物种具有氧化态和至少一种还原态，该至少一种还原态能够与路易斯酸气体结合以形成阴离子加合物。还提供了从流体混合物中分离路易斯酸气体的方法、电化学电池和气体分离系统。

Description

电活性物种和电化学气体分离的方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求2021年6月28日向美国专利商标局提交的美国临时申请第63/215,619号的优先权以及由此获得的所有利益，其内容通过引用整体并入本文。
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。在其它气体存在下，特别是在氧化还原活性气体(如双氧)存在下，提供用于捕获目标路易斯酸气体的改进材料将是有利的。
发明内容
提供了一种电活性物种，其包含醌核结构和至少一个与其共价结合的稳定基团；其中稳定基团包括阳离子基团、氢键供体或其组合；其中所述电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，该至少一种还原态能够与路易斯酸气体结合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；并且其中稳定基团的存在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，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，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，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。
还提供了一种聚合物或低聚物，其中至少一部分重复单元包含电活性物种。
还描述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：使流体混合物与电活性物种或者聚合物或低聚物接触，其中电活性物种处于还原态，以在路易斯酸气体和处于还原态的电活性物种之间形成阴离子加合物。
还提供了一种包括腔室的电化学装置，该腔室包括负电极和非水电解质，该负电极与处于还原态的电活性物种电子连通，其中该腔室被配置为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含醌核和至少一个与其共价结合的稳定基团；其中稳定基团包括阳离子基团、氢键供体或其组合；并且其中所述电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，该至少一种还原态能够与路易斯酸气体结合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；并且其中稳定基团的存在：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，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，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，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。
还提供了一种气体分离系统，其包括与气体入口和气体出口流体连通的多个电化学电池，其中这些多个电化学电池中的每一个包括：包含处于还原态的电活性物种的第一电极，其中所述电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，该至少一种还原态与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物；包含互补的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；和非水电解质；其中电活性物种包含醌核和至少一个与其共价结合的稳定基团；其中稳定基团包括阳离子基团、氢键供体或其组合；并且其中稳定基团的存在：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，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，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，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。
图1示出了4-二甲基氨基吡啶官能化的萘醌(NQ-DMAP)的化学结构，以及如实施例1所述的电化学电池操作期间电池电压(伏特，V)和归一化浓度对时间(分钟，min)的图。
图2A是电流(安培，A)对电势(伏特，V vs.二茂铁(Fc/Fc+))变化的图，示出了如实施例2中所述的重叠循环伏安图。
图2B是电流(安培，A)随电势(伏特，V vs.二茂铁(Fc/Fc+))变化的图，示出了如实施例2中所述的重叠循环伏安图。
具体实施方式
本公开涉及用于从流体混合物中分离一种或多种路易斯酸气体的电活性物种、方法、装置和系统。电活性物种共价连接到稳定基团或部分(例如，稳定基团直接连接到醌核，或者稳定基团共价结合到与醌核同一个的聚合物链，但是必须直接连接到醌核，如下面进一步详细描述的)。当电活性物种处于还原态(即，“还原的电活性物种”)时，其可以与流体混合物接触，以从流体混合物的组分中捕获一种或多种选择的路易斯酸气体(例如，CO2)。电活性物种上稳定基团的存在在动力学上可以有利于在一种或多种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。在一些情况下，还原的电活性物种上稳定基团的存在在热力学上可以有利于在一种或多种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。有利地，电活性物种上稳定基团的存在在动力学上和热力学上都可以有利于在一种或多种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。在一些方面，“有利于在一种或多种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”可以以相对的含义使用，意指比在相同的路易斯酸气体和不包括稳定基团的可比电活性物种之间形成阴离子加合物更有利。在一些方面，“有利于在一种或多种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”可以以相对的含义使用，意指比在相同的路易斯酸气体和不包括稳定基团并且具有类似于包含稳定基团的电活性物种的还原电势的可比电活性物种之间形成阴离子加合物更有利。
因此，本公开的一个方面是电活性物种，其包含醌核结构和至少一种与其共价结合的稳定基团。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，并且还原的电活性物种与路易斯酸气体结合以形成阴离子加合物。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的情况下的可逆碳捕获。
本公开的电活性物种包含醌核结构。本文所用的术语“醌核结构”是指完全共轭的环状二酮结构。例如，醌核结构是式(I)或(II)
其中虚线表示任选存在附加的基团，优选芳香基团。应当理解，当存在时，附加的芳香基团(由式(I)和(II)中的虚线表示)被认为是醌核结构的一部分，因此包括在本文所用的术语“醌核结构”中。醌核结构的羰基可以以下述方式还原，一个电子还原分别形成半醌阴离子(IA)或(IIA)，随后半醌阴离子的一个电子还原分别形成醌二阴离子(IB)或(IIB)。
当路易斯酸气体是CO2时，阴离子加合物具有下式：(Q-CO2)·-可以在半醌阴离子和CO2之间形成，如以下半醌阴离子(IA)的示例情况所示：
当路易斯酸气体是CO2时，阴离子加合物(Q-(CO2)2)2-)可以在醌二阴离子和CO2之间形成，如以下醌二阴离子(IB)的示例性情况所示：
在一些方面，醌核和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。
在一个方面，醌核结构可包括例如1,2-苯醌、1,4-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-芘四酮等，或其组合。
电活性物种包含至少一个稳定基团A，该至少一个稳定基团A通过连接基团-(L)z-共价结合到醌核结构。为简单起见，稳定基团和连接基团的组合(-(L)z-A)在本文中可统称为“Rx”。稳定基团A在每种情况下独立地是阳离子基团、氢键供体或其组合，L是连接基团。连接基团L可以是取代或未取代的C1-6亚烷基、取代或未取代的C6-20芳基、取代或未取代的C2-3亚烷基二醇醚基、取代或未取代的C2-3亚烷基二胺基(例如，乙二胺或丙二胺)、取代或未取代的聚(C2-3亚烷基二醇醚)基或取代或未取代的聚(C2-3亚烷基二胺)基。在式-(L)z-A中，z是0或1，前提是当A是氢键供体时z是1。在一个方面，连接基团L是未取代的C1-6亚烷基或未取代的C6-20芳基。
例如，电活性物种可以具有结构(Ic)或(IIc)
其中在前述式中，每个Rx在每种情况下独立地是如上所述的基团-(L)z-A，并且x在每种情况下独立地是0至4，前提是至少一种情况的x是1(即至少一个Rx基团连接到醌核)并且不超过醌核的化合价。应当理解，当虚线所示的任选基团中的一个或两个都不存在时，基团Rx可以结合到苯醌基团的至少一个碳原子上。
阳离子稳定基团可以包括例如，取代或未取代的C1-6烷基铵基、取代或未取代的C1-6烷基鏻基、取代或未取代的苄基铵基、螯合金属阳离子、取代或未取代的苯胺基、取代或未取代的吡啶鎓基或取代或未取代的咪唑鎓基。在一些方面，阳离子基团可以是取代或未取代的C1-6烷基铵基、取代或未取代的苄基铵基、取代或未取代的吡啶鎓基或取代或未取代的咪唑鎓基。在阳离子稳定基团是螯合金属阳离子的方面，金属阳离子可以通过共价结合到醌核上的连接基团“L”来螯合。如本文所用，“螯合金属阳离子”是指螯合配体和阳离子金属螯合物之间的螯合络合物。应当理解，当阳离子稳定基团是螯合金属阳离子时，式-(L)z-A中的基团A既包括螯合配体又包括阳离子金属螯合物。例如，阳离子稳定基团可以是螯合金属阳离子，其中基团A包括阳离子金属螯合物和螯合基团(例如冠醚、氮杂冠醚等)，该基团A通过连接基团L结合到醌核。
本文所用的术语“氢键供体”是指能够成为氢键受体的氢键供体的化合物。氢键是指分子或分子片段X-H中的氢原子(“氢键供体”)与相同或不同分子中的原子或原子团(“氢键受体”)之间的相互作用，在X-H中X的电负性大于H。参见，例如，Arunan等人的“Definition of the hydrogen bond”,Pure and Appl.Chem.,83(8):1637-1641(2011年)，其内容通过引用整体并入本文。在阴离子加合物是氢键受体的情况下，氢键供体物种稳定阴离子加合物。在一些方面，氢键供体的氢原子和阴离子加合物之间的氢键强度大于氢键供体的氢原子和半醌阴离子或醌二阴离子之间的氢键强度。
氢键供体可以包括例如羟基、羧酸基、胺基、苯胺基、酰胺基或硫醇基。在一些方面，氢键供体是羟基。
电活性物种包含至少一个稳定基团，但是在一些方面，可以包含至高八个稳定基团，或者至高四个稳定基团。受益于本公开内容，本领域普通技术人员将理解如何基于例如合成可行性、所得还原电势和醌核上可用于取代的位点数目来确定多少稳定基团适用于电活性物种。
在一些方面，电活性物种可以根据结构(III)、(IV)或(V)或其组合
在结构(III)至(V)的每一个中，每个Rx在每种情况下独立地是式-(L)z-A的基团，其中L、A、z和x如上所定义。
在一个方面，电活性物种可以具有结构(VI)
其中每个R1在每种情况下独立地是氢、卤素(例如，氯、溴、碘)、取代或未取代的C1-30烷基、取代或未取代的C1-30烷氧基、聚(C1-30环氧烷)基；取代或未取代的C3-30环烷基、取代或未取代的C3-30支链烷基、取代或未取代的C6-30芳基、取代或未取代的C2-30杂芳基、取代或未取代的C1-30氟烷基、腈基、硝基、硫醇基或乙烯基，任选地其中任何相邻的R1基团可以一起形成环状基团；每个Rx在每种情况下独立地是基团-(L)z-A；x是1至4，y是0至3，前提是x与y之和是4。
在一个方面，电活性物种可以具有结构(VII)
其中每个R1在每种情况下独立地是氢、卤素、取代或未取代的C1-30烷基、取代或未取代的C1-30烷氧基、聚(C1-30环氧烷)基团；取代或未取代的C3-30环烷基、取代或未取代的C3-30支链烷基、取代或未取代的C6-30芳基、取代或未取代的C2-30杂芳基、取代或未取代的C1-30氟烷基、腈基、硝基、硫醇基或乙烯基，任选地其中任何两个或更多个相邻的R1基团可以一起形成环状基团；每个Rx在每种情况下独立地是基团-(L)z-A；x是1至4，y是0至3，前提是x与y之和是4。
在一个方面，电活性物种可以具有结构(VIII)
其中每个R1在每种情况下独立地是氢、卤素、取代或未取代的C1-30烷基、取代或未取代的C1-30烷氧基、聚(C1-30环氧烷)基；取代或未取代的C3-30环烷基、取代或未取代的C3-30支链烷基、取代或未取代的C6-30芳基、取代或未取代的C2-30杂芳基、取代或未取代的C1-30氟烷基、腈基、硝基、硫醇基或乙烯基，任选地其中任何相邻的R1基团可以一起形成环状基团；每个Rx在每种情况下独立地是基团-(L)z-A；每个Rb在每种情况下独立地是R1或Rx；并且c和d各自独立地为0至4，前提是c与d之和是4，并且前提是当c为0时，至少一个Rb是Rx。
在一个具体方面，电活性物种可以具有结构(VIII)，其中c是0，d是4，并且至少一种情况的Rb是-(L)z-A，其中L是取代或未取代的苯基，z是1，并且电活性物种具有结构(VIIIa)
优选地，其中A是-NR2R3R4铵基或-PR2R3R4鏻基，其中R2、R3和R4在每种情况下独立地是取代或未取代的C1-6烷基或取代或未取代的苄基，或羟基；每个R1在每种情况下独立地是氢、卤素、取代或未取代的C1-30烷基、取代或未取代的C1-30烷氧基、聚(C1-30环氧烷)基团；取代或未取代的C3-30环烷基、取代或未取代的C3-30支链烷基、取代或未取代的C6-30芳基、取代或未取代的C2-30杂芳基、取代或未取代的C1-30氟烷基、腈基、硝基、硫醇基或乙烯基，任选地其中任何相邻的R1基团可以一起形成环状基团，优选地其中每种情况的R1是氢；并且Rb是R1或Rx。虽然根据结构(VIIIa)的示例性实施方案的芳基连接基团显示为未取代的芳基，但是取代的基团也是本公开所考虑的。
在一个方面，电活性物种可以具有结构(VIII)，其中c是0，d是4，并且两种情况的Rb都是-(L)z-A，其中L是取代或未取代的苯基，z是1，并且电活性物种具有结构(VIIIb)
其中R1和A如上所述，优选其中每种情况的R1是氢，并且每种情况的A是-NR2R3R4铵基，优选其中R2、R3和R4中的每一个均是甲基。虽然根据结构(VIIIb)的示例性实施方案的芳基连接基团显示为未取代的芳基，但是本公开也考虑了取代的基团。
在一个方面，电活性物种可以具有结构(VIII)，其中c是0，d是4，R1如上所述，优选氢，并且至少一种情况的Rb是-(L)z-A，其中z是0，A是取代或未取代的吡啶鎓基，Rb是R1或Rx，并且电活性物种具有结构(VIIIc)
虽然根据结构(VIIIc)的示例性实施方案中的吡啶鎓显示为未取代的吡啶鎓基，但是本公开也考虑了取代的基团。
在结构(VIIIc)的一些方面，剩余的Rb基团可以是式-(L)z-A，其中z是0，A是取代或未取代的吡啶鎓基。在结构(VIIIc)的一些方面，Rb是R1，优选取代或未取代的苯基。在一些方面，吡啶鎓基可以是取代的吡啶鎓基，例如4-(二甲基氨基)吡啶鎓基。
在一个方面，电活性物种可以具有结构(VIII)，其中c是0，d是4，R1如上所述，优选氢，并且至少一种情况的Rb是-(L)z-A，其中z是0，A是取代或未取代的吡啶鎓基，其通过C2、C3或C4位置结合至醌核，Rb是R1或Rx，并且Ra是其中Ra是取代或未取代的C1-6烷基，优选甲基，并且电活性物种具有结构(VIIId)
在一个方面，电活性物种可以具有结构(VIII)，其中c是0，d是4，R1如上所述，优选氢，并且至少一种情况的Rb是-(L)z-A，其中z是0，A是取代或未取代的咪唑鎓基，Rb是R1或Rx，并且电活性物种具有结构(VIIIe)
其中Ra是取代或未取代的C1-6烷基(优选甲基)，或取代或未取代的苄基。在结构(VIIIe)的一些方面，Rb可以是式-(L)z-A的基团，其中z是0，A是取代或未取代的咪唑鎓基。
在一个方面，电活性物种可以具有结构(VIII)，其中c是2，d是2，Rb在每种情况下独立地是氢或苯基，并且电活性物种是式(VIIIf-h)
其中每种情况的Rx是-(L)z-A，优选其中z是0，A是-NR2R3R4铵基，其中R2、R3和R4在每种情况下独立地是取代或未取代的C1-6烷基、或取代或未取代的苄基、或羟基；优选地，其中Rx基团相对于彼此位于对位(即，在萘醌核的第5和第8位)；并且R1在每种情况下独立地是氢、卤素、取代或未取代的C1-30烷基、取代或未取代的C1-30烷氧基、聚(C1-30环氧烷)基团；取代或未取代的C3-30环烷基、取代或未取代的C6-30芳基、取代或未取代的C2-30杂芳基、腈基、硝基、硫醇基或乙烯基，优选氢，任选地其中任何相邻的R1基团可以一起形成环状基团。在一个方面，C1-30烷基可以包括C3-30支链烷基。在一个方面，C1-30烷基可以被取代，并且可以包括例如C1-30氟烷基。
在一个方面，电活性物种可以具有结构(VIII)，其中c是0，d是4，R1如上所述，优选氢，并且至少一种情况的Rb是-(L)z-A，其中z是1，L是取代或未取代的C1-8烷基、或低聚(C2-3亚烷基二醇)基团，A是螯合金属阳离子，例如第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，优选其中金属阳离子是Li、Ca、Sc、La、Al、Zn、Mg、Na、K或其组合，通过冠醚(例如12-冠-4、15-冠-5、18-冠-6等，或氮杂冠醚)螯合，并且电活性物种是式(VIIIi)
虽然式(VIIIi)的结构显示有锂作为螯合金属阳离子，但是应当理解，可以使用任何前述的金属阳离子。本领域技术人员可以使用本公开提供的指导来选择特定的冠醚/金属阳离子组合，而无需过度实验。
在一个方面，电活性物种可以具有结构(IX)
其中R1在每种情况下独立地是氢、卤素、取代或未取代的C1-30烷基(包括例如C3-30支链烷基、C1-30氟烷基等)、取代或未取代的C1-30烷氧基、聚(C1-30环氧烷)基；取代或未取代的C3-30环烷基、取代或未取代的C6-30芳基、取代或未取代的C2-30杂芳基、腈基、硝基、硫醇基或乙烯基，任选地其中任何相邻的R1基团可以一起形成环状基团；Rx在每种情况下独立地是基团-(L)z-A；e在每种情况下独立地为0至4，前提是至少一种情况的e为1，f在每种情况下独立地为0至4，前提是不超过蒽醌的每个苯基的化合价(例如每个e/f对的总和为4)。在一个方面，每种情况的e是1。
在结构(IX)的一个方面，每种情况的e是1(即，总的e是2)，每种情况的f是3(即，总的f是6)，每种情况的Rx是-(L)z-A，优选其中A是-NR2R3R4铵基，其中R2、R3和R4在每种情况下独立地是取代或未取代的C1-6烷基、或取代或未取代的苄基、或羟基、胺基、酰胺基或硫醇基，优选羟基，并且每种情况的R1可以是氢。例如，电活性物种可以具有结构(IXa)
在一个方面，A是-NR2R3R4铵基，优选地，其中R2、R3和R4中的每一个均是甲基或者R2和R3是甲基而R4是苄基；R1是氢。
在一个方面，电活性物种可以根据结构(IX)并且稳定基团可以是螯合金属。例如，每种情况的e是2，每种情况的f是2，每种情况的Rx是-(L)z-A，其中z是1，L是亚烷基醚或亚烷基二胺连接基团。在一些方面，当连接基团L是C2-3亚烷基二醇醚基、C2-3亚烷基二胺基、聚(C2-3亚烷基二醇醚)基或聚(C2-3亚烷基二胺)基时，稳定基团A是阳离子基团，特别是螯合金属阳离子E。在一个方面，当e是2时，Rx基团可以位于彼此的邻位。在一个方面，电活性物种可以根据结构(IXb)
其中R1在每种情况下独立地是氢、卤素、取代或未取代的C1-30烷基(包括例如C3-30支链烷基、C1-30氟烷基等)、取代或未取代的C1-30烷氧基、聚(C1-30环氧烷)基；取代或未取代的C3-30环烷基、取代或未取代的C6-30芳基、取代或未取代的C2-30杂芳基、腈基、硝基、硫醇基或乙烯基，优选氢，任选地其中任何相邻的R1基团可以一起形成环状基团；D在每种情况下独立地是氧(O)或氮(N)；r在每种情况下独立地是0或1；R5和R6在每种情况下独立地是C1-6烷基、聚(C2-3环氧烷)基或聚(C2-3亚烷基二胺)基，前提是当R5和R6各自是聚(C2-3环氧烷)基或聚(C2-3亚烷基二胺)基时，R5可以任选地与R6结合形成环；并且金属阳离子E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；优选地，其中金属阳离子C是Li、Ca、Sc、La、Al、Zn、Mg、Na、K或其组合。当R5和R6结合形成环状基团时，该环状基团可以是冠醚(例如，当D是O时)或氮杂冠醚(例如，当D是N时)。
在一个方面，电活性物种可以根据结构(IXb)，其中R1是氢；R5和R6是甲基；D是氧；r是0，E是金属阳离子。例如，电活性物种可以具有结构(IXc)
在一个方面，电活性物种可以根据结构(IXb)，其中R1是氢；R5和R6是甲基；D是氮；r是0，E是金属阳离子。例如，电活性物种可以具有结构(IXd)
在一个方面，电活性物种可以根据结构(X)
其中每个R1在每种情况下独立地是氢、卤素、取代或未取代的C1-30烷基(包括例如C3-30支链烷基、C1-30氟烷基等)、取代或未取代的C1-30烷氧基、聚(C1-30环氧烷)基；取代或未取代的C3-30环烷基、取代或未取代的C6-30芳基、取代或未取代的C2-30杂芳基、腈基、硝基、硫醇基或乙烯基，任选地其中任何相邻的R1基团可以一起形成环状基团；Rx在每种情况下独立地是基团-(L)z-A；e在每种情况下独立地为0至4，前提是至少一种情况的e为1，f在每种情况下独立地为0至4，前提是不超过蒽醌的每个苯基的化合价(例如,每个e/f对的总和为4)。在一个方面，每种情况的e是1。
在一个方面，电活性物种可以根据结构(X)，其中A是-NR2R3R4铵基，优选地，其中R2、R3和R4中的每一个均是甲基或苄基；z为0；R1是氢；每种情况的e是1；每种情况的f是3。
在一个方面，电活性物种可以根据结构(X)，其中A是羟基、胺基、酰胺基或硫醇基，优选羟基；z是1；R1是氢；每种情况的e是1；每种情况的f是3；L是包含C6亚芳基的连接基团。
稳定基团可以有利地位于醌核上，使得它可以为阴离子加合物提供稳定性(例如，通过与阴离子加合物的库仑相互作用、通过吸电子诱导效应，作为阴离子加合物的氢键供体或其组合)。在一些方面，稳定基团可以距离醌核的至少一个酮基10埃或更小(例如，穿过空间距离(through-space distance))。在一些方面，稳定基团可以距离电活性物种的至少一个酮基10个或更少个、或8个或更少个、或1至10个、或2至10个、或1至8个、或2至8个、或1至5个、或2至5个原子。在根据距离醌核的至少一个酮基的“原子”数来描述稳定基团的距离时，应当理解，距离是从酮基的羰基碳到官能团计算的，其中羰基碳为“0”。例如，在下面所示的第一个示例中，稳定基团A(例如吡啶鎓基)距离酮基一个原子，而在第二个示例中，稳定基团A(例如羟基)距离酮基4个原子
在一些方面，包含稳定基团的还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数大于不存在稳定基团的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，包含稳定基团的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当电活性物种不包括稳定基团时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，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(其中半醌阴离子或醌二阴离子包含稳定基团，例如阳离子基团或氢键供体)可以大于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(当半醌阴离子或醌二阴离子不包括稳定基团时)。在一些方面，特别是当稳定基团是阳离子基团时，包含阳离子稳定基团的还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的反应平衡常数可以大于还原态的相应的非离子电活性物种(即，不包括阳离子稳定基团)和路易斯酸气体之间的反应平衡常数，其中非离子电活性物种具有与包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势。
在一些方面，由包含稳定基团的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由不包括稳定基团的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，由包含稳定基团的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比由不包括稳定基团的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，由包含稳定基团的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和动力学上比由不包括稳定基团的等同的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，当稳定基团是阳离子基团时，由包含稳定基团的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由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，所述还原态的非离子电活性物种具有与包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势。
在一些方面，当稳定基团是阳离子基团时，由包含稳定基团的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比由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，所述还原态的非离子电活性物种具有与包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势。
在一些方面，当稳定基团是阳离子基团时，由包含稳定基团的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和热力学上由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，所述还原态的非离子电活性物种具有与包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势。
在一些方面，当稳定基团是阳离子基团时，包含稳定基团的还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数大于还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数，所述还原态的非离子电活性物种具有与包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势。
在一些方面，与不存在氢键供体稳定基团的还原的电活性物种和路易斯酸气体相比，由包含氢键供体稳定基团的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有利于形成阴离子加合物。
在一些方面，稳定基团是氢键供体，并且在氢键供体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氢键供体不存在时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，稳定基团是氢键供体，并且在氢键供体存在下半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的缔合常数大于氢键供体不存在时半醌阴离子或醌二阴离子与路易斯酸气体之间的缔合常数。
在一些方面，相对于不包括稳定基团的相同电活性物种，电活性物种上稳定基团的存在可以使还原电势发生便宜。特别地，当稳定基团是阳离子基团时，还原电势可以相对于相应的未官能化的电活性物种而偏移。在一个方面，包括阳离子稳定基团的电活性物种的还原电势可以相对于相应的未官能化(非离子)的电活性物种的还原电势偏移0.1至1.2V。例如，在一个稳定基团存在于电活性物种上的方面，特别是当稳定基团是阳离子基团时，包括阳离子稳定基团的电活性物种的还原电势可以相对于相应的未官能化(非离子)的电活性物种的还原电势偏移0.1至1.2V、或0.1至1.1V、或0.1至1.0V、或0.1至0.9V、或0.2至1.9V、或0.5至0.9V、或0.6至0.9V。相对于相应的未官能化(非离子)的电活性物种的还原电势，还原电势可在正或负方向上偏移0.1至1.2V。如本文所用的“非离子电活性物种具有与还原的电活性物种相同的还原电势”是指非离子电活性物种的还原电势与包含稳定基团的电活性物种的还原电势的差异在50至60mv内。应当理解，在这些方面用于比较的非离子电活性物种可以具有或可以不具有相同的核醌结构，只要还原电势与包含稳定基团的电活性物种基本相同(例如，在50至60mV内)。
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”，其中对路易斯酸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酸气体的结合常数)。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”态对路易斯酸气体的亲和力，其对路易斯酸气体的亲和力降低。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酸气体的结合常数可以是0(即，去活性态对于路易斯酸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，其中路易斯酸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，路易斯酸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，并且对于存在至少一个温度(例如，在大于或等于223K、大于或等于248K、大于等于273K、或大于或等于298K、以及至高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二氧(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二氧(O2)反应在动力学上是不利的，因为与氧气反应的速率常数对于在与捕获路易斯酸气体相当的时间尺度上发生的反应来说太慢。因此，电活性物种提供了在二氧上捕获路易斯酸气体的特异性。
在一些方面，电活性物种可以是电活性材料的形式(例如，官能化的碳纳米管等，其中碳纳米管用包含稳定基团的一种或多种电活性物种官能化)。
还提供了包含电活性物种和稳定基团的电活性聚合物或低聚物。电活性聚合物或低聚物的重复单元的至少一部分包含本公开的稳定基团，该稳定基团或者共价结合到电活性物种基重复单元的醌核上，或者共价结合到与电活性物种基重复单元同一个的聚合物链上的重复单元上，但不直接共价结合到醌核上。
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，电活性聚合物或低聚物中的至少一部分包括主链，其中至少一种电活性物种共价连接到主链。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，重复单元的至少一部分可以衍生自包含共价结合至醌核结构的稳定基团的电活性物种。在一些方面，电活性聚合物或低聚物可仅包括衍生自包含本公开的稳定基团的电活性物种的重复单元(例如，均聚物)。在另一方面，电活性聚合物或低聚物可任选地进一步包括衍生自电活性物种的重复单元(例如，共聚物)，该电活性物种不同于本公开的电活性物种。在另一方面，电活性聚合物或低聚物可以包括衍生自两种或更多种电活性物种的重复单元，这些电活性物种包含本公开的稳定基团。换句话说，电活性聚合物或低聚物可以包含衍生自电活性物种的重复单元，这些电活性物种包含两种或更多种类型的稳定基团(例如，两种或更多种类型的阳离子基团；两种或更多种类型的氢键供体基团；或者至少一种类型的阳离子基团和至少一种类型的氢键供体基团)。
在一个方面，电活性聚合物或低聚物可以包含衍生自1至100摩尔％的本公开电活性物种和0至99摩尔％的不同于本公开电活性物种的电活性物种的重复单元，例如取代或未取代的醌、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(verdazyl)、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、取代或未取代的硫铜、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，电活性聚合物包括衍生自包含至少一个式-(L)z-A的取代基的醌的重复单元。例如，聚合物可以包括衍生自以下的重复单元：包含至少一个式-(L)z-A的取代基的1,4-苯醌、包含至少一个式-(L)z-A的取代基的1,2-苯醌、包含至少一个式-(L)z-A的取代基的1,4-萘醌、包含至少一个式-(L)z-A的取代基的1,2-萘醌、包含至少一个式-(L)z-A的取代基的蒽醌、包含至少一个式-(L)z-A的取代基的菲醌等，或其组合。在一个方面，电活性聚合物可以包括包含至少一个式-(L)z-A的取代基的聚(蒽醌)。在一个方面，电活性聚合物可以包括包含至少一个式-(L)z-A的取代基的取代或未取代的聚(乙烯基蒽醌)。在一个方面，电活性聚合物可以包括包含至少一个式-(L)z-A的取代基的聚(苯基萘醌)。
在一个具体方面，电活性聚合物或低聚物包括衍生自电活性物种的重复单元，该电活性物种衍生自1,4-苯醌并包含稳定基团。例如，电活性聚合物或低聚物可以包括根据结构(XI)的重复单元
其中R1和Rx如上所述；x是1或2，y是0或1，前提是x和y之和是2；Ar是取代或未取代的C6-20亚芳基；并且n是0或1。在一些方面，当存在时，Ar基团可以任选地被如上所述的稳定基团(例如，阳离子基团或氢键供体)取代。在这样的方面，如果Ar基团上稳定基团的存在足以对电活性物种和路易斯酸气体的阴离子加合物提供所需的稳定效果，则x可以是0。
当存在时，Ar基团可以是例如取代或未取代的亚苯基、亚联苯基、芴、噻吩或其组合。在一个方面，Ar可以优选是取代或未取代的亚苯基。
在一个具体方面，电活性聚合物或低聚物包含衍生自电活性物种的重复单元，这些电活性物种衍生自萘醌核并包含稳定基团。例如，电活性聚合物或低聚物可以包括根据结构(XII)的重复单元
其中R1和Rx如上所述；x是1至4；y是0至3，前提是x和y之和是4；n在每种情况下独立地为0或1，Ar在每种情况下独立地为取代或未取代的C6-20亚芳基。在一些方面，当存在时，Ar基团可以任选地被如上所述的稳定基团(例如，阳离子基团或氢键供体)取代。在这样的方面，如果Ar基团上稳定基团的存在足以对电活性物种和路易斯酸气体的阴离子加合物提供所需的稳定效果，则x可以是0。例如，电活性聚合物或低聚物可以包含根据结构(XIIa)或(XIIb)的重复单元
在另一具体方面，电活性聚合物或低聚物包含衍生自电活性物种的重复单元，这些电活性物种衍生自菲醌核并包含稳定基团。例如，电活性聚合物或低聚物可以包括根据结构(XIII)的重复单元
其中R1和Rx如上所述；x在每种情况下独立地为0至3，前提是至少一种情况的x是1；y在每种情况下独立地为0至3，前提是不超过苯基的化合价(例如，每个x/y对总和是3)；n是0至2或0至1，Ar是取代或未取代的C6-20亚芳基。在一些方面，当存在时，Ar基团可以任选地被如上所述的稳定基团(例如，阳离子基团或氢键供体)取代。在这样的方面，如果Ar基团上稳定基团的存在足以对电活性物种和路易斯酸气体的阴离子加合物提供所需的稳定效果，则两种情况的x都可以是0。例如，电活性聚合物或低聚物可以包含根据结构(XIIIa)或(XIIIb)的重复单元
在一些方面，醌核和稳定基团都可以形成聚合物或低聚物主链的一部分，例如当稳定基团是阳离子基团(如铵基)时。在一个具体方面，电活性聚合物或低聚物包含衍生自电活性物种的重复单元，该电活性物种衍生自菲醌核和阳离子铵基。例如，电活性聚合物或低聚物可以包括根据结构(XIV)的重复单元
其中R1如上所定义；y在每种情况下独立地是3，A是-NR2R3-铵基，其中R2和R3在每种情况下独立地为取代或未取代的C1-6烷基、或取代或未取代的苄基；n是0或1；Ar是取代或未取代的C6-20亚芳基。在一个具体方面，聚合物或低聚物可以包含根据结构(XIVa)或(XIVb)的重复单元
在一些方面，聚合物或低聚物可以包含本公开的电活性物种作为聚合物主链的侧基，而不是结合到聚合物主链中。例如，聚合物或低聚物可以包含衍生自以下的重复单元：取代或未取代的(甲基)丙烯酸C1-12烷基酯单体、取代或未取代的烯基芳族单体(例如，苯乙烯)、取代或未取代的乙烯基单体等，其中至少一部分重复单元衍生自已被适当官能化以共价连接本文所述电活性物种的单体。
在一个方面，电活性聚合物或低聚物可以包含衍生自第一单体和第二单体的重复单元，该第一单体包含可聚合基团和包含醌核结构的电活性物种，该第二单体包含可聚合基团和稳定基团。因此，根据本公开的该方面的电活性聚合物或低聚物是包含衍生自至少两种前述单体的重复单元的共聚物。该共聚物可以是无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物或其组合。在一个方面，共聚物是无规共聚物。在一个方面，共聚物是交替共聚物。在一个方面，电活性聚合物或低聚物可以由衍生自第一单体和第二单体的重复单元组成。在一个方面，可以存在附加单体单元。在一个方面，当存在时，附加单体单元可以具有不同于第一单体的醌核结构。在一个方面，当存在时，附加单体单元可以具有不同于第二单体的稳定基团。在一个方面，当存在时，附加单体单元可以不包括本文定义的醌核或稳定基团。例如，聚合物或低聚物可以包含衍生自单体的附加重复单元，选择该单体以赋予所得电活性聚合物或低聚物特定的溶解性或其它性质。附加的单体单元通常可以是任何类型或以任何量存在，前提是电活性聚合物或低聚物的一种或多种所需性质不受到不利影响。例如，附加的单体单元可以以50摩尔％或更少、或40摩尔％或更少、或30摩尔％或更少、或20摩尔％或更少、或10摩尔％或更少、或5摩尔％或更少、或1摩尔％或更少的量存在。
第一和第二单体的可聚合基团可以相同或不同，并且可以是通常已知的任何可聚合基团，包括例如烯键式不饱和基团。在一个方面，可聚合基团可以是(甲基)丙烯酸酯基团、苯乙烯基团、环烯烃(例如降冰片烯)等，或其组合。在一个方面，可聚合基团可以是降冰片烯部分。
第一单体的醌核结构可以如上所述，例如根据式(I)或式(II)。在一个方面，醌核结构可以包括例如1,4-苯醌。在一个方面，醌可以与环烯烃(例如降冰片烯)可聚合部分稠合以形成稠环结构。
在一个方面，第一单体可以是下式
其中每个R1在每种情况下独立地是氢、卤素(例如氯、溴、碘)、取代或未取代的C1-30烷基、取代或未取代的C1-30烷氧基、聚(C1-30环氧烷)基；取代或未取代的C3-30环烷基、取代或未取代的C3-30支链烷基、取代或未取代的C6-30芳基、取代或未取代的C2-30杂芳基、取代或未取代的C1-30氟烷基、腈基、硝基、硫醇基或乙烯基，任选地其中任何相邻的R1基团可以一起形成环状基团。
如上所述，第二单体的稳定基团可以是阳离子基团、氢键供体或其组合。在一个方面，稳定基团可以是氢键供体。在一个具体方面，稳定基团可以是羟基。在一个方面，第二单体可以是羟基官能化的降冰片烯。
在一个方面，第二单体可以是下式
其中A是包含氢键供体或阳离子基团的稳定基团。在一个方面，A可以是羟基。
在一个方面，电活性聚合物或低聚物可以是下式
其中R1和A可以如上定义。在一个方面，聚合物可以是随机(stochastic)聚合物。
如上所述，为了给阴离子加合物提供稳定性，电活性聚合物或低聚物中的第二单体的稳定基团和第一单体的醌核结构的酮之间的穿过空间距离(through-space)优选为10埃或更小。
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通常已知的各种方法来完成。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。
在一些方面，电活性物种可以被结合到水凝胶、离子凝胶、有机凝胶或其组合中。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，在一些方面，本公开的电活性物种可以通过吸附(例如，物理吸附和/或化学吸附)结合到交联的聚合物材料中。在一些方面，电活性物种可以包含在扩展网络上。例如，金属有机框架(MOF)或共价有机框架(COF)可以包含电活性物种。在一些方面，功能化碳质材料可以包括电活性物种，例如，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。
还提供了一种从包括路易斯酸气体的流体混合物中分离路易斯酸气体的方法。方法包括使流体混合物与本文所述的电活性物种或包含电活性物种的聚合物或低聚物或其他材料接触，其中电活性物种处于还原态，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。
流体混合物包括路易斯酸气体。术语“路易斯酸气体”是指能够接受来自电子对供体的电子对(例如，通过具有在能量上可接近供体的电子对的空轨道)的气态物种。
路易斯酸气体可以包括二氧化碳(CO2)、硫化羰(COS)、硫氧化物(如二氧化硫(SO2)或三氧化硫(SO3))；有机硫酸酯(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、硼酸酯(R”3BO3)如三甲基硼酸酯；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；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。
该方法可以在电解质，例如非水电解质中进行。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，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醌(如萘醌)的液体混合物，如Shimizu A,TakenakaK,Handa N,Nokami T,Itoh T,Yoshida JI.Liquid Quinones for Solvent-Free RedoxFlow Batteries,Advanced Materials.2017年11月；29(41):1606592中所述，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、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯或其组合。
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、二甘醇二甲醚或其组合。
电解质可以进一步包括支持电解质。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，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、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、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，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-1-丙基哌啶双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺盐或其组合。
还提供了一种电化学装置。电化学装置包括腔室，该腔室包括与处于还原态的电活性物种电子连通的负电极，其中该电活性物种包括稳定基团，其中该腔室被配置为接收包括路易斯酸气体的流体混合物。包含稳定基团的电活性物种和路易斯酸气体如本文所公开。
包括处于还原态的电活性物种的电化学电池代表了本公开的另一个方面。在一个方面，电化学电池包括电活性物种和电解质，例如非水电解质。在一些方面，电化学电池包括第一电极，该第一电极包括处于还原态的电活性物种，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。电化学电池进一步包括包含互补的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、和电解质。在一个方面，第一电极和第二电极可以在配置或组成上相同，以提供对称的电化学电池。
基于第一电极的总重量，包含稳定基团的电活性物种可以以10至90重量百分比(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％、或至多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。
第一隔膜可以是多孔隔膜。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、聚合物/陶瓷复合材料或陶瓷材料。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、锂超离子导体(LiSICON)隔膜等。也可以使用前述的组合。当使用各种隔膜的组合时，它们通常可以以任何顺序排列。
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，隔膜可以部分或全部地用电解质浸渍。电解质可以包含例如离子液体、溶解在非挥发性溶剂中的盐、或其组合。用电解质浸渍隔膜可以通过浸没、涂覆、浸渍或其他方式使隔膜与电解质接触。多孔隔膜的一些或所有孔可以部分或完全填充有电解质。在一个方面，隔膜可以被电解质饱和。
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(例如，与包含本文所述稳定基团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包含稳定基团的电活性物种。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、电活性茂金属或其组合。第二电活性物种可以或可以不包括稳定基团。
可用作第二电活性物种的示例性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(verdazyls)、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，第二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二电活性物种。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，第二电活性物种包括结构(XV)或(XVI)的取代或未取代的醌：
其中R7、R8、R9和R10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R7至R10基团可以任选地一起形成环状基团。
在一些方面，第二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，第二电活性物种可以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(thiochromene-dione)。例如，第二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第二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，第二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、取代或未取代的硫铜、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，第二电活性物种是电活性聚合物或低聚物。如前所述，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，第二电活性聚合物中的至少一部分包括聚合物主链，其中第二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，第二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，第二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、取代或未取代的硫铜、取代或未取代的硫醌、取代或未取代的二硫化物、或其组合。
示例性的第二电活性物种包括聚合物或低聚物，其包含衍生自以下的一种或多种重复单元：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、取代或未取代的苯丙咪唑、或取代或未取代的苯并三唑。
在一个方面，第二电活性聚合物包括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，第二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，第二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，第二电活性聚合物可以包括取代或未取代的聚(苯基萘醌)。
当第二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通常已知的各种方法来完成。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，第二电活性物种包括水凝胶、离子凝胶、有机凝胶或其组合，或者结合到水凝胶、离子凝胶、有机凝胶或其组合中。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第二电活性物种作为三维结构的一部分(例如，通过共价键)。然而，在一些方面，第二电活性物种可以通过吸附(例如，物理吸附和/或化学吸附)结合到交联的聚合物材料中。在一些方面，第二电活性物种包括扩展网络。例如，第二电活性物种可以包含金属有机框架(MOF)或共价有机框架(COF)。在一些方面，第二电活性物种包括官能化碳质材料。例如，第二电活性物种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。
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
YM1X
其中Y是Li、Na或K；M1是Ni、Co、Mn、Al、Ti、Mo、Fe、V、Si或其组合；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。合适的茂金属的示例可以包括但不限于二茂铁，或包括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。类似地，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。每个第一电极可以包含所公开的处于还原态的电活性物种(例如，包含稳定基团)和非水电解质。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，该气体流场可以在与第一电极相对的一侧上，邻近气体可渗透层安置。当气体可渗透层不存在于电化学电池中时，气体流场可以在与隔膜相对的一侧上，邻近第一电极安置。
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。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，流体混合物可以具有大于或等于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％的相对湿度。在一个方面，在-50℃至140℃范围内的至少一个温度下，流体混合物可以具有小于或等于100％，或小于或等于95％，或小于或等于90％，或小于或等于75％，或小于或等于50％，或小于或等于25％，或小于或等于10％的相对湿度。
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高的亲和力。通过还原的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，形成阴离子加合物。有利地，电活性物种上稳定基团的存在有利于阴离子加合物的形成(例如，通过离子相互作用、氢键、诱导效应或其组合来稳定阴离子加合物)。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，包括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。该电压进一步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，或小于或等于0.2V。
在一个方面，第一电极的包含稳定基团的电活性物种包括醌，并且可以被还原到其还原态的至少一种。当第一电极的包含稳定基团的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，还原形式的电活性物种可以与二氧化碳结合。
在一个方面，当包含稳定基团的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显示发生在一个方向上，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大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)的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高量的路易斯酸气体。例如，路易斯酸气体可以以这样的量存在于第二处理过的气体混合物中，使得其vol％比输入流体混合物中的路易斯酸气体的量高10％、高20％、高50％、高100％、高200％、高1000％和/或至多高2000％、高5000％、高10000％或更多。
在一个方面中，包含稳定基团的电活性物种(例如，包含醌核及与其连接的稳定基团的电活性物种、由此衍生的聚合物或低聚物、由含醌的电活性物种和含稳定基团的物种衍生的聚合物或低聚物，或其组合)与电解质(例如，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，其中电解质溶液的电活性物种被还原。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-气接触器中与路易斯酸气体的流体混合物接触。通过这种接触，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，在其中与处于氧化电势的第二电极接触，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)之间施加电势差。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)。在另一个方面，多组电化学电池可以在充电和放电模式的不同阶段并联运行。这样的配置可以针对充电和放电模式的速度进行优化(例如，当一组电池处于放电模式时，多组电池可以处于捕获模式的不同阶段)。此外，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，包含稳定基团的电活性物种和非水电解质结合形成“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，并与处于氧化电势的第二电极接触，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0.001L/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，料流，例如输入气体料流)的流速可以小于或等于500L/s，或小于或等于400L/s，或小于或等于300L/s，或小于或等于200L/s，或小于或等于100L/s，或小于或等于50L/s，或小于或等于10L/s，或小于或等于1L/s，或小于或等于0.5L/s，或小于或等于0.1L/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)、挤出、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、第17/665,815号以及国际申请号PCT/US2021/59048中所述，其各自的内容出于所有目的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)中去除路易斯酸气体(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
用于实施例的电活性物种根据以下合成程序制备。
2,3-双(4-二甲氨基吡啶)-萘醌三氟甲磺酸酯(NQ-DMAP)的合成
在氮气下，将2,3-二碘萘醌(100mg，0.24mmol)装入带有搅拌棒的烘干隔膜盖小瓶中，向其中加入无水DMSO(2mL)。在氮气下，将4-二甲基氨基吡啶(DMAP)(65mg，0.54mmol)装入另一个烘干隔膜盖小瓶中，向其中加入无水DMSO(1mL)。当两种材料完全溶解时，通过注射器将DMAP溶液缓慢加入到搅拌的醌溶液中。将反应混合物在室温下搅拌15分钟，然后加入固体形式的三氟甲磺酸银(154mg，0.60mmol)。将所得悬浮液再搅拌5分钟，然后转移到离心管中并离心(4000rpm，5分钟)。用移液管移出橙色上清液，并加入到9mL的2∶1的氯仿∶乙醚中；将所得悬浮液离心(4000rpm，10分钟)并除去上清液。将沉淀再分散在6mL氯仿中，再次离心，所得沉淀在减压下干燥，得到2,3-双(4-二甲基氨基吡啶)-萘醌三氟甲磺酸酯(NQ-DMAP)，为黄橙色粉末。
2,3-双(3-羟基苯基)-萘醌(NQ-PhOH)的合成
在空气下，将K3PO4(930mg，4.4mmol)、3-羟基苯基硼酸(242mg，1.75mmol)和水(8mL)装入带有搅拌棒的50mL圆底烧瓶中，并在室温下设定搅拌20分钟以溶解。用移液管加入2,3-二碘萘醌(300mg，0.73mmol)在二恶烷(12mL)中的溶液，然后加入Pd(OAc)2(8mg)。将反应混合物在室温下搅拌3小时，然后转移到装有二氯甲烷的分液漏斗中，并用1M HCl中和。水相用二氯甲烷萃取两次，合并的有机相用水洗涤并用MgSO4干燥，减压除去溶剂。粗物质通过柱层析(硅胶；20％乙酸乙酯的己烷溶液)，得到2,3-双(3-羟基苯基)-萘醌(NQ-PhOH)，为亮黄色粉末。
实施例1
NQ-DMAP沉积在碳纸上，并在电化学电池中测试，以确定阳离子稳定基团的存在的影响。电化学电池中使用的电解质是在四甘醇二甲醚中的0.15M的MgTFSI2。对电极与聚(乙烯基二茂铁)一起使用，流过电池的气体混合物是空气中1％的二氧化碳。
图1示出了NQ-DMAP的结构和在非常温和的施加电势(蓝色轨迹)下CO2捕获和释放的一个循环的图(橙色轨迹)。图1说明了NQ-DMAP(一种缺电子醌)优异的CO2结合能力。该结果也说明了阳离子基团的影响，能够捕获空气中的CO2，同时最大限度地减少O2浓度(灰色轨迹)。
实施例2
使用循环伏安法来说明分子内氢键对NQ-PhOH的CO2结合动力学的影响。结果如图2所示。对于缺少分子内氢键供体的可比分子，观察到CO2结合缓慢，直到化合物被双重还原，导致观察到的分离还原波(reduction wave)。相应的分子内氢键供体化合物(在第3位具有羟基，图2A)显示出“峰合并”效应(还原波)，表明CO2加合物与醌的分子内氢键稳定化使CO2结合动力学得以改善。当将100当量的可比氢键供体(例如NQ-PhOH的苯酚)加入到缺少氢键供体基团的对比分子中时，观察到这种效果匹配或超过观察到的任何动力学增强。有趣的是，在第2位具有羟基的相应分子内氢键供体化合物(图2B)也表现出“峰合并”效应(还原波)，但没有表现出表明CO2被还原物种结合的电化学不可逆性。这表明，与观察到的3-取代衍生物的增强相反，2-取代提供了动力学增强，但对CO2结合是热力学障碍。这说明了平衡CO2加合物的稳定与还原物种的稳定的重要性，这可以通过分子内官能化来实现。
本公开还包括以下方面。
方面1：一种电活性物种，包含醌核结构和至少一个与其共价结合的稳定基团；其中稳定基团包括阳离子基团、氢键供体或其组合；其中电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，该至少一种还原态能够与路易斯酸气体结合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；并且其中稳定基团的存在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，或者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的电活性物种，其中所述醌核结构为式(I)或(II)
其中式(I)和(II)的虚线表示任选存在附加的取代或未取代的芳基；并且稳定基团A通过连接基团-(L)z-共价结合至醌核结构，其中z是0或1，前提是当A是氢键供体时z是1。
方面3：根据方面1或2的电活性物种，其中电活性物种为式(VI)至(X)或其组合：
其中每个R1在每种情况下独立地是氢、卤素、取代或未取代的C1-30烷基、取代或未取代的C1-30烷氧基、聚(C1-30环氧烷)基；取代或未取代的C3-30环烷基、取代或未取代的C6-30芳基、取代或未取代的C2-30杂芳基、腈基、硝基、硫醇基或乙烯基；每个Rx在每种情况下独立地是基团-(L)z-A；x在每种情况下独立地是1至4；y在每种情况下独立地是0至3，前提是x和y之和是4；Rb在每种情况下独立地是R1或Rx；e在每种情况下独立地是0至4，前提是至少一种情况的e是1，f在每种情况下独立地是0至4，前提是每个e-f对之和是4；并且c和d各自独立地是0至4，前提是c和d之和是4，并且前提是当c是0时，至少一个Rb是Rx。
方面4：根据方面1至3中任一项的电活性物种，其中阳离子基团包括取代或未取代的C1-6烷基铵基、取代或未取代的C1-6烷基鏻基、取代或未取代的C7-30芳基烷基铵基、螯合金属阳离子、取代或未取代的苯胺基、取代或未取代的吡啶鎓基、或取代或未取代的咪唑鎓基，优选取代或未取代的C1-6烷基铵基、取代或未取代的苄基铵基、取代或未取代的吡啶鎓基、或取代或未取代的咪唑鎓基；并且氢键供体包括羟基、羧酸基、胺基、苯胺基、酰胺基或硫醇基，优选羟基。
方面5：根据方面3或4的电活性物种，其中电活性物种是式(VI)的化合物。
方面6：根据方面3或4的电活性物种，其中电活性物种是式(VII)的化合物。
方面7：根据方面3或4的电活性物种，其中电活性物种是式(VIII)的化合物。
方面8：根据方面7的电活性物种，其中c是0；d是4；且至少一种情况的Rb是-(L)z-A，其中z是1；L是取代或未取代的亚苯基；A是-NR2R3R4铵基，其中R2、R3和R4在每种情况下独立地是取代或未取代的C1-6烷基、或取代或未取代的苄基，或羟基。
方面9：根据方面7或8的电活性物种，其中两种情况的Rb均是-(L)z-A，其中每种情况的z都是1，每种情况的L均是取代或未取代的亚苯基。
方面10：根据方面7至9中任一项的电活性物种，其中A是-NR2R3R4铵基，优选地，其中R2、R3和R4中的每一个为甲基；R1是氢。
方面11：根据方面7至9中任一项所述的电活性物种，其中A是羟基、胺基、酰胺基或硫醇基，优选羟基；R1是氢。
方面12：根据方面7的电活性物种，其中c是0；d是4；至少一种情况的Rb是-(L)z-A，其中z是0；并且A是取代或未取代的吡啶鎓基。
方面13：根据方面7的电活性物种，其中c是0；d是4；至少一种情况的Rb是-(L)z-A，其中z是0；并且A是取代或未取代的咪唑鎓基。
方面14：根据方面7的电活性物种，其中c是2；d是2；Rb在每种情况下独立地是氢或者取代或未取代的苯基；Rx在每种情况下独立地是-(L)z-A，其中z是0；且A是-NR2R3R4铵基，其中R2、R3和R4在每种情况下独立地是取代或未取代的C1-6烷基或取代或未取代的苄基，或羟基；优选地，其中Rx基团相对于彼此位于对位。
方面15：根据方面3或4的电活性物种，其中电活性物种是式(IX)的化合物。
方面16：根据方面15的电活性物种，其中每种情况的e是1，每种情况的f是3，每种情况的Rx是-(L)z-A，其中A是-NR2R3R4铵基，其中R2、R3和R4在每种情况下独立地是取代或未取代的C1-6烷基、或取代或未取代的苄基、或羟基、胺基、酰胺基或硫醇基，优选羟基。
方面17：根据方面16的电活性物种，其中A是-NR2R3R4铵基，优选地，其中R2、R3和R4中的每一个为甲基或者R2和R3是甲基而R4是苄基；R1是氢。
方面18：根据方面15的电活性物种，其中电活性物种为式(IXb)的化合物
其中R1在每种情况下独立地是氢、卤素、C1-30烷基、C1-30烷氧基、聚(C1-30环氧烷)基；C3-30环烷基、C3-30支链烷基、C6-30芳基、C2-30杂芳基、C1-30氟烷基、腈基、硝基、硫醇基或乙烯基，优选氢；D在每种情况下独立地是氧或氮；r是0或1；R5和R6在每种情况下独立地是C1-6烷基、聚(C2-3环氧烷)基或聚(C2-3亚烷基二胺)基，其中R5任选地与R6结合形成环状基团；且E是金属阳离子，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；更优选其中金属阳离子是Li、Ca、Sc、La、Al、Zn、Mg、Na、K或其组合。
方面19：根据方面18的电活性物种，其中R1是氢；R5和R6是甲基；D是氧；并且r是0。
方面20：根据方面18的电活性物种，其中R1是氢；R5和R6是甲基；D是氮；并且r是0。
方面21：根据方面18的电活性物种，其中R1是氢；D是氧；r为0；R5和R6是聚(环氧乙烷)基，其中R5和R6结合形成环醚。
方面22：根据方面3或4的电活性物种，其中电活性物种是式(IX)。
方面23：根据方面22的电活性物种，其中A是-NR2R3R4铵基，优选地，其中R2、R3和R4中的每一个均是甲基或苄基；z为0；R1是氢；每种情况的e是1；每种情况的f是3。
方面24：根据方面22的电活性物种，其中A是羟基、胺基、酰胺基或硫醇基，优选羟基；z是1；L是包含C6亚芳基的连接基团；R1是氢；每种情况的e都是1；每种情况的f都是3。
方面25：根据方面1至24中任一项的电活性物种，其中稳定基团A距离电活性物种的至少一个酮基10个原子或更少、或8个原子或更少。
方面26：根据方面1至25中任一项的电活性物种，其中稳定基团A距离电活性物种的至少一个酮基1至10个原子。
方面27：一种聚合物或低聚物，其中至少一部分重复单元包含根据方面1至26中任一项所述的电活性物种。
方面28：一种聚合物或低聚物，其包含衍生自第一单体和第二单体或其组合的重复单元，该第一单体包含可聚合基团和电活性物种，该电活性物种包含醌核结构，该第二单体包含可聚合基团和稳定基团，该稳定基团包括阳离子基团；其中电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，该至少一种还原态能够与路易斯酸气体结合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；并且其中稳定基团的存在：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，或者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29：一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：使流体混合物与根据方面1至26中任一项的电活性物种或者根据方面28的聚合物或低聚物接触，其中电活性物种处于还原态，以在路易斯酸气体和处于还原态的电活性物种之间形成阴离子加合物。
方面30：根据方面29的方法，其中接触在电解质，优选非水电解质存在下进行。
方面31：根据方面30的方法，其中电解质包括有机电解质、离子液体或其组合，其中有机电解质包含有机溶剂和支持电解质，优选其中有机溶剂是乙腈、二甲基甲酰胺、碳酸丙烯酯、二甲基亚砜、聚乙二醇、二甘醇二甲醚或其组合。
方面32：根据方面29至31中任一项的方法，其中包含稳定基团的还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数大于不包括稳定基团的还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数。
方面33：根据方面29至32中任一项的方法，其中由包含稳定基团的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由不包括稳定基团的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34：根据方面29至33中任一项的方法，其中由包含稳定基团的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比由不包括稳定基团的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35：根据方面29至34中任一项的方法，其中由包含稳定基团的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和热力学上比由不包括稳定基团的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36：根据方面29至31中任一项的方法，其中稳定基团是阳离子基团，并且由包含稳定基团的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由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，该还原态的非离子电活性物种具有与该包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势；或者由包含稳定基团的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比由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，该还原态的非离子电活性物种具有与该包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势；或者由包含稳定基团的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和热力学上比由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，该还原态的非离子电活性物种具有与该包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势。
方面37：根据方面29至31中任一项的方法，其中稳定基团是阳离子基团，并且由包含稳定基团的还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数大于由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数，该还原态的非离子电活性物种具有与该包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势。
方面38：根据方面29至31中任一项的方法，其中稳定基团是氢键供体，并且由包含稳定基团的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由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，该还原态的非离子电活性物种具有与该包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势；或者由包含稳定基团的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比由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，该还原态的非离子电活性物种具有与该包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势；或者由包含稳定基团的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和热力学上比由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，该还原态的非离子电活性物种具有与该包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势。
方面39：根据方面29至31中任一项的方法，其中稳定基团是氢键供体，并且由包含稳定基团的还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数大于由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数，该还原态的非离子电活性物种具有与该包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势。
方面40：根据方面29至39中任一项的方法，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；和每个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。
方面41：一种电化学装置，其包括：腔室，该腔室包括负电极和电解质，该负电极与处于还原态的电活性物种电子连通，其中该腔室被配置为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含醌核和至少一个与其共价结合的稳定基团；其中稳定基团包括阳离子基团、氢键供体或其组合；并且其中所述电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，该至少一种还原态能够与路易斯酸气体结合，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；并且其中稳定基团的存在：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，或者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42：一种电化学装置，包括：腔室，其包括负电极和电解质，该负电极与处于还原态的电活性物种电子连通，其中腔室被配置为接收包含路易斯酸气体的流体混合物，其中电活性物种包括根据方面27的聚合物或低聚物。
方面43：一种电化学装置，包括：腔室，其包括负电极和电解质，该负电极与处于还原态的电活性物种电子连通，其中腔室被配置为接收包含路易斯酸气体的流体混合物，其中电活性物种包括根据方面28的聚合物或低聚物。
方面44：一种气体分离系统，包括与气体入口和气体出口流体连通的多个电化学电池，其中这些多个电化学电池中的每一个包括：包含处于还原态的电活性物种的第一电极，其中电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，该至少一种还原态与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物；包含互补的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；以及电解质；其中电活性物种包含醌核和至少一个与其共价结合的稳定基团；其中稳定基团包括阳离子基团、氢键供体或其组合；并且其中稳定基团的存在：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，或者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45：一种气体分离系统，包括与气体入口和气体出口流体连通的多个电化学电池，其中这些多个电化学电池中的每一个包括：包含处于还原态的电活性物种的第一电极，其中电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，该至少一种还原态与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物；包含互补的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；和电解质；其中电活性物种包含根据方面27的聚合物或低聚物。
方面46：一种气体分离系统，包括与气体入口和气体出口流体连通的多个电化学电池，其中这些多个电化学电池中的每一个包括：包含处于还原态的电活性物种的第一电极，其中电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，该至少一种还原态与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物；包含互补的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；和电解质；其中电活性物种包含根据方面28的聚合物或低聚物。
组合物、方法和制品可以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其组成。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与本申请所属领域的技术人员通常理解的含义相同。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是通过羰基的碳连接的。
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，除了取代基残基的碳和氢之外，它可以任选地含有杂原子。因此，当具体描述为取代时，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含有杂原子。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-))。“亚环烷基”是指二价环状亚烷基，-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的一个或多个碳-碳双键的一价基团，其中所有环元(ring members)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环元(例如1、2或3个杂原子)，其中杂原子各自独立地是N、O、S、Si或P。“取代的”是指化合物或基团被至少一个(例如1、2、3或4个)取代基取代，这些取代基可以各自独立地是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杂环烷基和C3-12杂芳基而不是氢，前提是不超过被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 (34)

1.一种电活性物种，包含醌核结构和至少一个与其共价结合的稳定基团；
其中所述稳定基团包括阳离子基团、氢键供体或其组合；
其中所述电活性物种包括
氧化态，以及
至少一种还原态，其能够与路易斯酸气体结合，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；且
其中所述稳定基团的存在
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，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，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，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。
2.根据权利要求1所述的电活性物种，其中
所述醌核结构为式(I)或(II)
其中式(I)和(II)的虚线表示任选存在附加的取代或未取代的芳基；且
稳定基团A通过连接基团-(L)z-共价结合至醌核结构，其中z是0或1，前提是当A是氢键供体时z是1。
3.根据权利要求1所述的电活性物种，其中所述电活性物种为式(VI)至(X)或其组合：
其中
每个R1在每种情况下独立地是氢、卤素、取代或未取代的C1-30烷基、取代或未取代的C1-30烷氧基、聚(C1-30环氧烷)基；取代或未取代的C3-30环烷基、取代或未取代的C6-30芳基、取代或未取代的C2-30杂芳基、腈基、硝基、硫醇基或乙烯基；
每个Rx在每种情况下独立地是基团-(L)z-A；
x在每种情况下独立地是1至4；
y在每种情况下独立地是0至3，前提是x和y之和是4；
Rb在每种情况下独立地是R1或Rx；
e在每种情况下独立地是0至4，前提是至少一种情况的e是1，
f在每种情况下独立地是0至4，前提是每个e-f对的总和是4；且
c和d各自独立地是0至4，前提是c和d之和是4，且前提是当c是0时，至少一个Rb是Rx。
4.根据权利要求1所述的电活性物种，其中
所述阳离子基团包括取代或未取代的C1-6烷基铵基、取代或未取代的C1-6烷基鏻基、取代或未取代的C7-30芳基烷基铵基、螯合金属阳离子、取代或未取代的苯胺基、取代或未取代的吡啶鎓基、或取代或未取代的咪唑鎓基，优选取代或未取代的C1-6烷基铵基、取代或未取代的苄基铵基、取代或未取代的吡啶鎓基、或取代或未取代的咪唑鎓基；并且
所述氢键供体包括羟基、羧酸基、胺基、苯胺基、酰胺基或硫醇基，优选羟基。
5.根据权利要求3所述的电活性物种，其中所述电活性物种为式(VI)、(VII)或(VIII)的化合物。
6.根据权利要求5所述的电活性物种，其中所述电活性物种为式(VIII)的化合物，其中
c是0；
d是4；且
至少一种情况的Rb是-(L)z-A，其中
z是1；
L是取代或未取代的亚苯基；且
A是
-NR2R3R4铵基，其中R2、R3和R4在每种情况下独立地是取代或未取代的C1-6烷基、或取代或未取代的苄基，或
羟基。
7.根据权利要求6所述的电活性物种，其中
两种情况的Rb均是-(L)z-A，其中每种情况的z均是1，每种情况的L均是取代或未取代的亚苯基；
A是-NR2R3R4铵基，优选地，其中R2、R3和R4中的每一个均是甲基；且
R1是氢。
8.根据权利要求6所述的电活性物种，其中
A是羟基、胺基、酰胺基或硫醇基，优选羟基；且
R1是氢。
9.根据权利要求5所述的电活性物种，其中所述电活性物种为式(VIII)的化合物，其中
c是0；
d是4；
至少一种情况的Rb是-(L)z-A，其中
z是0；且
A是取代或未取代的吡啶鎓基或咪唑鎓基。
10.根据权利要求5所述的电活性物种，其中所述电活性物种为式(VIII)的化合物，其中
c是2；
d是2；
Rb在每种情况下独立地是氢、或取代或未取代的苯基；
Rx在每种情况下独立地是-(L)z-A，其中
z是0；且
A是
-NR2R3R4铵基，其中R2、R3和R4在每种情况下独立地是取代或未取代的C1-6烷基、或取代或未取代的苄基，或
羟基；
优选地，其中所述Rx基团相对于彼此位于对位。
11.根据权利要求3所述的电活性物种，其中所述电活性物种为式(IX)的化合物。
12.根据权利要求11所述的电活性物种，其中
每种情况的e是1，
每种情况的f是3，
每种情况的Rx是-(L)z-A，其中A是
-NR2R3R4铵基，其中R2、R3和R4在每种情况下独立地是取代或未取代的C1-6烷基、或取代或未取代的苄基，或者
羟基、胺基、酰胺基或硫醇基，优选羟基；
优选地，其中
A是-NR2R3R4铵基，优选地，其中R2、R3和R4中的每一个均是甲基或者R2和R3是甲基而R4是苄基；且
R1是氢。
13.根据权利要求11所述的电活性物种，其中所述电活性物种为式(IXb)的化合物
其中
R1在每种情况下独立地是氢、卤素、C1-30烷基、C1-30烷氧基、聚(C1-30环氧烷)基；C3-30环烷基、C3-30支链烷基、C6-30芳基、C2-30杂芳基、C1-30氟烷基、腈基、硝基、硫醇基或乙烯基，优选氢；
D在每种情况下独立地是氧或氮；
r是0或1；
R5和R6在每种情况下独立地是C1-6烷基、聚(C2-3环氧烷)基或聚(C2-3亚烷基二胺)基，其中R5任选地与R6结合形成环状基团；且
E是金属阳离子，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；更优选其中所述金属阳离子是Li、Ca、Sc、La、Al、Zn、Mg、Na、K或其组合。
14.根据权利要求13所述的电活性物种，其中
R1是氢；
R5和R6是甲基；
D是氧或氮；且
r是0。
15.根据权利要求13所述的电活性物种，其中
R1是氢；
D是氧；
r是0；且
R5和R6是聚(环氧乙烷)基，其中R5和R6结合形成环醚。
16.根据权利要求3所述的电活性物种，其中所述电活性物种为式(X)。
17.根据权利要求16所述的电活性物种，其中
A是-NR2R3R4铵基，优选地，其中R2、R3和R4中的每一个均是甲基或苄基；
z是0；
R1是氢；
每种情况的e是1；且
每种情况的f是3。
18.根据权利要求16所述的电活性物种，其中
A是羟基、胺基、酰胺基或硫醇基，优选羟基；
z是1；
L是包含C6亚芳基的连接基团；
R1是氢；
每种情况的e是1；且
每种情况的f是3。
19.根据权利要求1所述的电活性物种，其中所述稳定基团A距离所述电活性物种的至少一个酮基10个原子或更少、或8个原子或更少，或者其中所述稳定基团A距离所述电活性物种的至少一个酮基1至10个原子。
20.一种聚合物或低聚物，其中至少一部分重复单元包含根据权利要求1所述的电活性物种。
21.一种包含衍生自以下的重复单元的聚合物或低聚物
包含可聚合基团和电活性物种的第一单体，所述电活性物种包含醌核结构，以及
包含可聚合基团和稳定基团的第二单体，所述稳定基团包括阳离子基团、氢键供体或其组合；
其中所述电活性物种包括
氧化态，以及
至少一种还原态，其能够与路易斯酸气体结合，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；且
其中所述稳定基团的存在：
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，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，或
在动力学上有利于从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。
22.一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根据权利要求1所述的电活性物种、或根据权利要求27所述的聚合物或低聚物、或根据权利要求28所述的聚合物或低聚物接触，其中所述电活性物种处于还原态，以在所述路易斯酸气体和处于还原态的电活性物种之间形成阴离子加合物。
23.根据权利要求22所述的方法，其中接触在电解质存在下进行；
优选地，其中所述电解质包含有机电解质、离子液体或其组合，
其中所述有机电解质包含有机溶剂和支持电解质，
优选地，其中所述有机溶剂是乙腈、二甲基甲酰胺、碳酸丙烯酯、二甲基亚砜、聚乙二醇、二甘醇二甲醚或其组合。
24.根据权利要求22所述的方法，其中包含稳定基团的还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数大于不包括稳定基团的还原的电活性物种和路易斯酸气体之间的缔合常数。
25.根据权利要求22所述的方法，
其中由包含稳定基团的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由不包括稳定基团的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；或
其中由包含稳定基团的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比由不包括稳定基团的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；或
其中由包含稳定基团的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和热力学上比由不包括稳定基团的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。
26.根据权利要求22所述的方法，其中所述稳定基团是阳离子基团，并且
由包含稳定基团的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由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，所述还原态的非离子电活性物种具有与所述包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势；或
由包含稳定基团的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比由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，所述还原态的非离子电活性物种具有与所述包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势；或
由包含稳定基团的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和热力学上由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，所述还原态的非离子电活性物种具有与所述包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势。
27.根据权利要求22所述的方法，其中所述稳定基团是氢键供体，并且
由包含稳定基团的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由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，所述还原态的非离子电活性物种具有与所述包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势；或
由包含稳定基团的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比由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，所述还原态的非离子电活性物种具有与所述包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势；或
由包含稳定基团的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和热力学上由还原态的非离子电活性物种和路易斯酸气体形成阴离子加合物更有利，所述还原态的非离子电活性物种具有与所述包含稳定基团的还原的电活性物种相同的还原电势。
28.根据权利要求22所述的方法，其中
所述路易斯酸气体是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。
29.一种电化学装置，包括：
包括负电极和电解质的腔室，所述负电极与处于还原态的电活性物种电子连通，其中所述腔室被配置为接收包含路易斯酸气体的流体混合物，
其中所述电活性物种包含醌核和至少一个与其共价结合的稳定基团；
其中所述稳定基团包括阳离子基团、氢键供体或其组合；且
其中所述电活性物种包括
氧化态，以及
至少一种还原态，其能够与路易斯酸气体结合，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；且
其中所述稳定基团的存在：
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，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，或
在动力学上有利于从还原的电活性物种形成阴离子加合物，并且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。
30.一种电化学装置，包括：
包括负电极和电解质的腔室，所述负电极与处于还原态的电活性物种电子连通，其中所述腔室被配置为接收包含路易斯酸气体的流体混合物，
其中所述电活性物种包含根据权利要求20所述的聚合物或低聚物。
31.一种电化学装置，包括：
包括负电极和电解质的腔室，所述负电极与处于还原态的电活性物种电子连通，其中所述腔室被配置为接收包含路易斯酸气体的流体混合物，
其中所述电活性物种包含根据权利要求21所述的聚合物或低聚物。
32.一种气体分离系统，包括与气体入口和气体出口流体连通的多个电化学电池，其中所述多个电化学电池中的每一个包括：
包含处于还原态的电活性物种的第一电极，其中所述电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，所述至少一种还原态与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物；
包含互补的电活性层的第二电极；
所述第一电极和第二电极之间的第一隔膜；以及
电解质；
其中所述电活性物种包含醌核和至少一个与其共价结合的稳定基团；
其中所述稳定基团包括阳离子基团、氢键供体或其组合；且
其中所述稳定基团的存在：
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，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，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，并且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。
33.一种气体分离系统，包括与气体入口和气体出口流体连通的多个电化学电池，其中所述多个电化学电池中的每一个包括：
包含处于还原态的电活性物种的第一电极，其中所述电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，所述至少一种还原态与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物；
包含互补的电活性层的第二电极；
所述第一电极和第二电极之间的第一隔膜；以及
电解质；
其中所述电活性物种包含根据权利要求20所述的聚合物或低聚物。
34.一种气体分离系统，包括与气体入口和气体出口流体连通的多个电化学电池，其中所述多个电化学电池中的每一个包括：
包含处于还原态的电活性物种的第一电极，其中所述电活性物种包括氧化态和至少一种还原态，所述至少一种还原态与路易斯酸气体结合形成阴离子加合物；
包含互补的电活性层的第二电极；
所述第一电极和第二电极之间的第一隔膜；以及
电解质；
其中所述电活性物种包含根据权利要求21所述的聚合物或低聚物。
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