CN118119566A - 用于清洁化石燃料发电的负排放、大规模碳捕获 - Google Patents
用于清洁化石燃料发电的负排放、大规模碳捕获 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118119566A CN118119566A CN202280070423.3A CN202280070423A CN118119566A CN 118119566 A CN118119566 A CN 118119566A CN 202280070423 A CN202280070423 A CN 202280070423A CN 118119566 A CN118119566 A CN 118119566A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- plasma
- carbon
- carbon dioxide
- reaction
- reactor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 223
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 183
- 238000010248 power generation Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 title abstract description 25
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 260
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 143
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 133
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 133
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 94
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 60
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 231
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 82
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims description 80
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 claims description 77
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 claims description 77
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 47
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 41
- VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N methane;hydrate Chemical compound C.O VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 241000894007 species Species 0.000 claims description 36
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 29
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 29
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 27
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 26
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 26
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 23
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 23
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 claims description 16
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 14
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 14
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 125000001261 isocyanato group Chemical group *N=C=O 0.000 claims description 12
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 claims description 10
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 7
- 241000234282 Allium Species 0.000 claims description 6
- 235000002732 Allium cepa var. cepa Nutrition 0.000 claims description 6
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 claims description 6
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 6
- 239000002077 nanosphere Substances 0.000 claims description 6
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 claims description 6
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 40
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 abstract description 20
- 230000009919 sequestration Effects 0.000 abstract description 19
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 12
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 9
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 5
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 abstract description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 abstract description 2
- 239000011157 advanced composite material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 abstract description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 abstract 1
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 196
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 39
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 24
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 24
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 22
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 21
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 18
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 17
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 description 15
- 239000000047 product Substances 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 10
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 10
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 10
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 9
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 9
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- -1 siloxanes Chemical class 0.000 description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 6
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 6
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 6
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 6
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 6
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 6
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 5
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 5
- 238000001246 colloidal dispersion Methods 0.000 description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 5
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 5
- 239000002064 nanoplatelet Substances 0.000 description 5
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 241001120493 Arene Species 0.000 description 4
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 4
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 4
- 150000001345 alkine derivatives Chemical class 0.000 description 4
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 4
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 4
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 4
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 4
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 4
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910021387 carbon allotrope Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 3
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 3
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 125000000896 monocarboxylic acid group Chemical group 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 3
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 2
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 2
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012993 chemical processing Methods 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 2
- 229920000840 ethylene tetrafluoroethylene copolymer Polymers 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 2
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 2
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 2
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 2
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 229930195734 saturated hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229930195735 unsaturated hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 206010067484 Adverse reaction Diseases 0.000 description 1
- 229910001316 Ag alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000006838 adverse reaction Effects 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000003466 anti-cipated effect Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 1
- CXKCTMHTOKXKQT-UHFFFAOYSA-N cadmium oxide Inorganic materials [Cd]=O CXKCTMHTOKXKQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CFEAAQFZALKQPA-UHFFFAOYSA-N cadmium(2+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[Cd+2] CFEAAQFZALKQPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 125000003636 chemical group Chemical group 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 239000013626 chemical specie Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000003034 coal gas Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 239000011365 complex material Substances 0.000 description 1
- 239000011246 composite particle Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- QHSJIZLJUFMIFP-UHFFFAOYSA-N ethene;1,1,2,2-tetrafluoroethene Chemical group C=C.FC(F)=C(F)F QHSJIZLJUFMIFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000003502 gasoline Substances 0.000 description 1
- VOZRXNHHFUQHIL-UHFFFAOYSA-N glycidyl methacrylate Chemical compound CC(=C)C(=O)OCC1CO1 VOZRXNHHFUQHIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 230000000116 mitigating effect Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- MOFOBJHOKRNACT-UHFFFAOYSA-N nickel silver Chemical compound [Ni].[Ag] MOFOBJHOKRNACT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010956 nickel silver Substances 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen(.) Chemical compound [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000002006 petroleum coke Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000010942 self-nucleation Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004756 silanes Chemical class 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 239000011232 storage material Substances 0.000 description 1
- 150000003464 sulfur compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 230000000153 supplemental effect Effects 0.000 description 1
- 230000002459 sustained effect Effects 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
本申请公开了一种用于消除二氧化碳及捕获固体碳的系统及方法。借由例如自燃化石燃料的电力生产设施的流出排气流中消除二氧化碳气体，本文所呈现的发明性概念代表了一种环境清洁的解决方案，该解决方案永久地消除温室气体，同时产生捕获的固体碳产物，其可用于各种应用，包括高级复合材料合成(例如，碳纤维、3D石墨烯)及能量储存(例如，电池技术)。在所揭示用于消除温室气体的方法期间捕获固体碳避免了与习用二氧化碳封存相关的低效率及风险。所揭示的反应器与燃化石燃料的电力生产设施同处一地(colocation)实现了一种环境有益且经济上可行的途径，用于自原本将释放至地球生物圈中的二氧化碳气体及其他温室气体中永久地捕获巨量固体碳。
Description
相关申请案
本申请案主张2021年8月18日提出申请且标题为「High-Efficiency CarbonCapture for Clean Fossil Fuel Power Production」(用于清洁化石燃料电力生产的高效碳捕获)的美国临时专利申请案第63/234,322号的优先权，该临时专利申请案的内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本揭示案是关于绿色电力生产技术，尤其处理二氧化碳及其他温室气体。更具体而言，本文所呈现的发明性概念是关于用于清洁化石燃料电力生产的高效碳捕获(其亦得到有用的基于碳的副产物)的技术，从而导致总体负排放谱(profile)。
背景技术
一种应对全球气候变迁的途径涉及借由在全世界布署空气至二氧化碳的去除设备(air-to-carbon-dioxide removal plant)而自大气中分离二氧化碳，且接着将该二氧化碳封存在例如深地下贮层中。为了解达成碳减排目标所需的规模，将需要安装大约40,000台空气至二氧化碳的去除设备(其对应于全世界超过40,000台或更多的燃化石燃料的发电设备)来分离由该燃化石燃料的发电设备生成的二氧化碳。
即使该空气至二氧化碳的去除设备能够以每吨几百美元的经济效率水准操作，与将二氧化碳移至储存地点相关的重大问题亦使得二氧化碳封存途径几乎无法达成。在达成所拟议碳减排目标所需的规模上，仅对美国而言，将二氧化碳移至封存地点就需要估计65,000英里的管线。遗憾的是，地缘政治压力使得封存途径不切实际，即使管线成本由主权国家政府实体承担。因此，首先需要用于防止自燃化石燃料的发电设备处的燃烧生成的二氧化碳进入生物圈的系统及技术。本文所呈现的发明性概念在源头上解决了与温室气体相关的问题，而并非试图在该温室气体释放至生物圈中之后将其重新捕获。
发明内容
处理反应器接收流出排气流(例如，自燃煤或燃天然气的发电设施)。将流出排气流引导通过高频、大气压、非平衡的电浆，以分解靶分子，诸如二氧化碳、一氧化碳及未耗尽的烃。
自该裂解分子中释放的元素接着由电动势控制，以维持分离，调变离子生命期，且容许氧、氮及氢原子复合成O2、N2及H2O。该有利(或在氧的情况下，有益)所得气体接着可释放至周围环境中或用于其他目的。
同时，碳固体经捕获且收集用于工业及制造用途。值得注意的是，处理反应器促进电浆的调谐，使得期望种类的碳固体(例如，石墨烯)作为副产物产生。
该碳固体副产物可直接用于多种应用，包括但不限于生产高级复合材料、工业用金刚石、碳纤维、基于碳的建筑材料、聚合物及化学合成等，以及能量储存应用、感测器技术及航太应用等等。
根据一个方面，一种用于从二氧化碳气体及水产生固体碳的方法包括：在反应器中接收二氧化碳和水，该反应器经配置以生成电浆；使用该电浆解离该二氧化碳及该水以形成一或多种解离物质；将该解离物质暴露于电场，该电场经配置以促进一或多种化学反应；经由该化学反应生成固体碳；以及自该反应器输出该固体碳。
根据另一方面，一种系统包括：波导，该波导包含沿第一波导的长度延伸的电浆区；微波能源，其耦合至该波导；第一流入口，其经配置以使二氧化碳气体流入该电浆区中；及气固分离器系统，其耦合至微波电浆反应器。该微波能源经配置以将微波能传播至该波导中。该微波能经配置以在该电浆区内生成电浆。该电浆区内的该电浆经配置以将该二氧化碳气体解离成多种组分，包括氧气及固体碳粒子。该气固分离器(GSS)系统经配置以接收该多种组分。
根据又一方面，一种系统包括：多个反应室，其中每一反应室直接或间接地耦合至至少一个微波能源、至少一个放大器及至少一个容器。每一反应室皆包括耦合至该微波能源的波导。每一波导分别包括电浆区，该电浆区经配置以因应该微波能而生成电浆；至少一个入口，其经配置以将原材料输送至该电浆区中；及出口，其经配置以输出基于该原材料的粉末。
根据再一方面，一种物质组成物包括具有从使用电浆及电场解离二氧化碳和水而形成的物理特性的碳质材料。
本文以及附图及申请专利范围中阐述了技术方面的方面、目标及优点的进一步细节。
附图说明
下文所述附图仅用于图解说明目的。该附图并非意欲限制本揭示案的范畴。本专利或申请案档案含有至少一个以彩色绘制的附图。在请求并支付必要费用后，美国专利暨商标局(U.S.Patent and Trademark Office)将提供带彩图的本专利或专利申请公开案的复本。
图1图解说明根据一个方面的耦合至化石燃料电力生产设施且经配置以生成有用碳固体副产物的例示性负排放反应器。
图2图解说明展示根据一个方面的参与使用热催化及电浆催化二者的转化反应化学的活化能障的图。
图3A-图3B图解说明根据一个方面的用于将二氧化碳转化为固体碳、氧及水的化学解离及复合路径。
图3C绘示根据一个方面显示单一电子如何可参与多重转化反应的多重反应路径图。
图3D显示根据一个方面的用于自二氧化碳和水生成固体碳的例示性解离路径。
图3E绘示根据一个方面，当将水暴露于电浆时生成的各种解离状态及相关解离截面。
图3F绘示根据一个方面，当将二氧化碳暴露于电浆时生成的各种解离状态及相关解离截面。
图3G是显示根据一个方面，当将二氧化碳、水及氮的气体混合物暴露于电浆时其组合解离的解离及电子路径的反应图。
图4图解说明根据一个方面的包括区域隔离反应器的微波气体处理系统的简化垂直截面。
图5是根据本揭示案的方面的具有热烟流能源的微波气体处理系统的简化垂直截面。
图6图解说明根据一个方面的反应室的阵列。
图7A-图7B绘示根据各个方面的实例反应器系统的简化图。
图8图解说明根据一个方面绘示二氧化碳和水的样品解离状态的能量调谐图。
图9A-图9L是根据当前所揭示的发明性概念产生的碳输出的各个方面的扫描电子显微照片(SEM)影像。
图10图解说明根据一个方面的耦合至各种化石燃料及温室气体来源(包括炼油厂、发电设备及机器精制厂)的二氧化碳处理设施的简化示意图。
图11图解说明根据一个方面的方法的流程图
具体实施方式
诸多应对气候变迁的长期策略在很大程度上依赖于捕获及封存燃烧化石燃料产生的巨大量二氧化碳的能力。意图是将其永久地封存于深地下岩层中。遗憾的是，高封存成本及持续的技术不确定性意味着上述碳捕获及储存(CCS)策略可能不会显著减少全球二氧化碳排放至环境中。
来自国际能源署(International Energy Agency，IEA)的最近报告警告称，CCS的开发及部署作为防止全球平均温度上升超过2℃的方式「严重滞后」。开始将CCS应用于相应减排的窗口正在「迅速缩小」，IEA已宣布，CCS必须供应到2050年所需减排的五分的一以上，以将温度上升保持在低于2℃。
总之，当前的封存捕获技术每年仅封存约2000万公吨二氧化碳。相比的下，仅美国及中国的燃煤每年就占大约70亿公吨二氧化碳排放。
为满足2℃目标，IEA声明，到2020年，至少应有110个发电设备及工业设施的额外项目上线——至少有足够能力在当年捕获并储存2.69亿公吨二氧化碳。尽管诸多大型项目正处于规划或施工阶段，但构建新的CCS项目可能需要十年以上时间。习用CCS策略呈现出「为时已晚」的罕见实例。
更糟糕的是，CCS策略的上述问题因以下事实而进一步复杂化：用于自工厂排气或天然气流中化学地和/或机械地分离二氧化碳的技术是昂贵的且充满了复杂的处理物流。首先，在可掩埋气体之前，必须将其压缩至超临界状态，且接着运输(例如，经由管线)至注入地点——该两者皆是非常昂贵的过程。因此，CCS大大增加了电力生产价格，使其无法用作成本有效的解决方案。
关于自气体中分离碳固体的额外细节可参见2019年2月22日提出申请且标题为「Microwave Reactor System with Gas-Solids Separation」的美国专利第10,781,103号，该专利的内容以引用的方式并入本文。
其次，传统碳封存技术依赖于用于永久储存所排放二氧化碳的封存地点的可用性。诸多封存地点尚未证明可行和/或尚未达到预期。举例而言，诸多所拟议的地下封存地点遭到公众的政治挑战。作为另一实例，深层盐腔(saline cavity)的渗透性极低，使得流体难以进入岩石。此外，研究显示，在没有触发地震的可能性的情况下，将足够大的体积输送至该腔体中是不可行的。更糟糕的是，可能发生在断层上的地震可能会使封存的气体逸出。
即使与保护及维持封存地点相关的技术及政治问题得到解决，现行碳捕获/封存方法亦仅仅将CO2转移至该位点。遗憾的是，此仅仅推迟了处理超大体积的温室气体相及其他污染物的存在。
实际上，封存及基于电浆的固体碳捕获的长期前景形成鲜明对比。封存成本往往随时间而上升，例如，由于封存地点的有限可用性，以及关于碳的不断增加的规章，但由于固体碳产品的提高的效率及转售市场的日益成熟，因此预计基于电浆的固体碳捕获将展现出持续的成本降低。
为了充分利用该预计的成本降低，必须大规模部署碳捕获。为了说明此一规模，设想在一典型夏日，大洛杉矶地区需要来自其燃化石燃料的发电设备的远超5GW的峰值功率。若在5GW发电设备处实施碳捕获，则需要大约500MW的输入电力以将温室气体解离成可捕获的碳固体。此可使用约七个75MW基于速调管的微波能发射器来实施。视情况，可使用更大量功率更小的微波能发射器。所揭示技术的应用借由将污染物质化学解构为有利组分来消除封存。此外，所揭示技术的应用借由返回所捕获的组成元素(例如，C及O2)以供在其他应用中使用而提供了诸多环境及经济利益。表1给出了基于电浆的固体碳捕获技术相对于传统封存的进一步优势。
表1：基于电浆的固体碳捕获制程提供优于目前最佳技术的碳封存方法的显著成本及环境优势
一种改良的途径(且是避免给后代留下不受欢迎的遗产的方法)是将二氧化碳及其他温室气体处理成固体碳，从而完全避免与传统二氧化碳捕获及储存技术相关的问题。
本文揭示用于高效固体碳捕获的高度创新的途径。可以完全消除作为化石燃料燃烧副产物的污染排放物的方式应用各种途径。该技术可自任何化石燃料制程(诸如由例如燃煤或燃天然气的发电公共设施及其他大型温室气体生产者操作)的排气流中捕获及去除碳。
如上文所示，处理反应器接收流出排气流(例如，自燃煤或燃天然气的发电设施)。将流出排气流引导通过高频、大气压、非平衡的电浆，以分解靶分子，诸如二氧化碳、一氧化碳及未耗尽的烃。关于维持非平衡电浆的一般途径的额外细节可参见2020年9月30日提出申请且标题为「Reactor System Coupled to an Energy Emitter Control Circuit」的美国专利第11,107,662号，该专利的内容以引用的方式并入本文。
自该裂解分子中释放的元素接着由电动势控制，以维持分离，调变离子生命期，且容许氧、氮及氢原子复合成O2、N2及H2O。该有利(或在氧的情况下，有益)所得气体接着可释放至周围环境中或用于其他目的。
固体碳形成于电浆中。电浆是借由将活性电极的特定布置与经能量最佳化的电磁辐射及高强度电场相组合来生成。活性电极上形成围绕气流包裹的布置，以精确地产生分解分子所需的频率及能阶。效率部分端视电极布置于反应器中的精度以及供应给系统的能量的类型及量值而定。该变量的控制决定了所产生的碳的形态(例如，石墨烯、碳纳米洋葱(carbon nano-onion)、混合相石墨烯等)。
该无污染的固体碳捕获制程提供用于自发电设备排气流中去除元素碳的高效手段，同时仅使用该设备所生成的电力的估计10-15％。此外，借由将所捕获的碳并入该固体中，随后释放至大气中的可能性极小，尤其与采用习用碳封存技术时相比更不可能。因此，当前所揭示的发明性概念代表了CCS的革命性途径，同时亦提供了经济上有用的副产物。
定义及附图的用途
下文定义一些用于本说明书中的术语以便于参考。所呈现的术语及其各别定义并不严格地局限于该定义，亦即，术语可借由该术语在本揭示案内的用途来进一步定义。术语「例示性」在本文中用于意指用作实例、例项或图解说明。在本文中阐述为「例示性」的任何方面或设计未必应视为较其他方面或设计为佳或有利。而是，使用措辞例示性意欲以具体方式来呈现概念。如本申请案及随附申请专利范围中所用，术语「或」意欲意指包括性「或」，而非排他性「或」。亦即，除非另有说明，或根据上下文显而易见，否则「X采用A或B」意欲意指固有包括性排列中的任一者。亦即，若X采用A，X采用B，或X采用A及B二者，则在上述例项中的任一例项下皆满足「X采用A或B」。如本文所用，A或B中的至少一者意指A中的至少一者、或B中的至少一者、或A及B二者中的至少一者。换言之，该短语是分离的。除非另有说明或根据上下文显而易见指代单数形式，否则本申请案及随附申请专利范围中所用的冠词「一(a)」及「一(an)」通常应解释为意指「一或多者」。
本文参考图阐述各个方面。应注意，该图未必按比例绘制，且贯穿该图具有类似结构或功能的元件有时由相同元件符号表示。亦应注意，该图仅意欲促进对所揭示方面的描述，其并不代表对所有可能方面的穷尽处理，且其并不意欲对申请专利范围的范畴构成任何限制。另外，所图解说明的方面无需描绘任何特定环境中的所有使用方面或优点。
结合特定方面阐述的方面或优点未必限于该方面且可在任何其他方面中实践，即使并未如此说明。在本说明书通篇中对「一些方面」或「其他方面」的提及是指结合该方面阐述的特定特征、结构、材料或特性包括于至少一个方面中。因此，本说明书通篇中的各处出现的短语「在一些方面中」或「在其他方面中」未必指代一或多个相同方面。所揭示的方面并不意欲限制申请专利范围。
本发明的例示性方面的描述
根据一个方面，一种用于自二氧化碳气体及水产生固体碳的方法包括：在反应器中接收二氧化碳和水，该反应器经配置以生成电浆；使用该电浆解离该二氧化碳及该水以形成一或多种解离物质；将该解离物质暴露于电场，该电场经配置以促进一或多种化学反应；经由该化学反应生成固体碳；及自该反应器输出该固体碳。
根据另一个一般方面，一种系统包括：波导，该波导包含沿第一波导的长度延伸的电浆区；微波能源，其耦合至该波导；第一流入口，其经配置以使二氧化碳气体流入该电浆区中；及气固分离器系统，其耦合至微波电浆反应器。该微波能源经配置以将微波能传播至该波导中。该微波能经配置以在该电浆区内生成电浆。该电浆区内的该电浆经配置以将该二氧化碳气体解离成多种组分，包括氧气及固体碳粒子。该气固分离器(GSS)系统经配置以接收该多种组分。
根据又一个一般方面，一种系统包括：多个反应室，其中每一反应室直接或间接地耦合至至少一个微波能源、至少一个放大器及至少一个容器。每一反应室包含耦合至该微波能源的波导。每一波导分别包括电浆区，该电浆区经配置以因应该微波能而生成电浆；至少一个入口，其经配置以将原材料输送至该电浆区中；及出口，其经配置以输出基于该原材料的粉末。
根据再一个一般方面，一种物质组成物包括具有自使用电浆及电场解离二氧化碳和水而形成的物理特性的碳质材料。
为了说明，图1绘示根据一个方面耦合至化石燃料发电设施(发电设施或「设施」)的例示性负排放反应器(碳捕获反应器或简称为「反应器」)。反应器经配置以捕获设施中产生的碳，且将捕获的碳转化为有用的固体副产物。将化石燃料进给至设施中，其中燃烧反应(燃烧)产生二氧化碳(CO2)及水蒸气(蒸汽)以及其他产物。将经由该燃烧反应生成的能量(电力)提供给电网(电网)以供消耗。
将该产物直接进给至反应器中，且暴露于一或多种经调谐/控制的电浆(未显示)，以产生期望的固体碳副产物(固体碳)，诸如石墨烯(石墨烯)、三维碳结构(3D碳)和/或适于例如并入建筑材料、轮胎等中的更习用的基于碳的材料(习用材料)，如本领域技术人员在阅读本揭示案后将会理解。
同时，根据一个不同方面且通常端视提供给设施或在其中燃烧的输入物的类型而定，在反应器中实施的反应的其他副产物包括分子氧和/或氮。较佳地，将至少一些所产生的氧(O2)释放至生物圈中，除了仅自化石燃料中捕获碳之外，亦提供额外的环境益处。视情况，反应器中产生的氧可返回至设施，以帮助驱动更多燃料的燃烧。
设施及反应器较佳各自包括用于防止排放物逸出的盖或另一机构。以此方式，除了有益的氧释放(和/或诸如分子氮等有利产物的释放)，反应器亦能够实现零排放发电。借由经由固体碳产物以几乎永久的形式捕获碳，来自根据如图1中所示的布置发电的总体排放为负。碳自大气中去除且并入至不会导致随后释放至大气中的产物中。
如本领域技术人员将会了解，生成固体碳、尤其特定期望种类的碳产物需要远不止将二氧化碳简单地暴露于电浆。如先前所示，根据下文参考图3A-图3B更详细阐述的双反应方案，控制并调谐电浆以得到高效地将二氧化碳气体转化为固体碳所必需的特定条件。
图2是根据一个方面的效率比较图表200，其显示当反应发生在电浆反应器中时发生极高总数的转化反应。特定而言，图2显示在若干温度下的典型马克士威-波兹曼分布(Maxwell-Boltzmann distribution)，该分布显示粒子密度机率相对于动能(KE)的关系。已增加基于电浆的能量激发系统曲线202，其显示能量最佳化的基于电浆的能量激发系统的分布。
为了解电浆能量曲线202的碰撞，考虑熟知的波希反应(Bosch reaction)(在方程式1及方程式2中显示)。波希反应是二氧化碳与氢之间的化学反应，该反应产生单质碳(石墨)、水及投入热的10％返回。波希反应需要引入触媒且需要530-730℃的温度位准。第一反应(称为水变换气体反应(water shift-gas reaction)(方程式1))非常快，而第二反应(方程式2)很慢，因此是控制反应：
CO2+H2→CO+H2O 方程式1
CO+H2→C+H2O 方程式2
实施上述化学反应的系统已用于自太空舱的氛围中去除二氧化碳。一种此类系统利用高温(600℃)催化反应将二氧化碳转化为单质碳灰及水。该系统在自大气中去除二氧化碳方面可能非常有效，然而该系统存在两个关键缺陷：(1)实施自一氧化碳中提取单质碳的第二反应借由形成固-固溶液(此是碳原子溶解于金属触媒中的冶金反应的结果)而引起催化表面积垢，从而导致系统的使用寿命受到严重限制；及(2)自能源成本的角度来看，引起及控制上述化学反应是非常低效的。
基于电浆的技术解决了该两个缺陷，特定而言：(1)当使用基于电浆的技术时，无需触媒，因此催化表面无积垢；以及(2)当使用本文所揭示的技术时，该制程的能量效率高得多。
为进一步解释该后一点，二氧化碳转化为单质碳的能量效率与必要化学路径的反应速率直接相关。为理解主要效率损失机制存在于基于热、催化热及电浆催化的系统中何处，必须检查每一系统的高能粒子密度及其相关能量。
如图2中所示，粒子参与拟发生的任何化学反应所需的活化能表示为绘示活化能的线的右侧曲线下面积。如所示，主动参与0℃(线204)下的反应化学的粒子数为零。线206(在1000℃下)显示参与的粒子数仍然极低。在2000℃(线208)下，显著更多的反应物处于发生反应的能量下，然而总数仍然相对较小。实际上，在区域210a中，未发生转化反应，且在区域210b中，当使用热能时，仅在由线206及208限定的曲线下的粒子在转化反应化学中起作用。
如图2的曲线图所示，触媒的添加将所需活化能转换为更小值(由虚线向左移动表示)，从而容许更多粒子参与反应过程。然而，可用高能粒子的数目仍然很少。若欲将温度升高至极高水准(例如，几乎熔化触媒及系统的组分)，则甚至更多粒子将能够参与；然而，在该温度下可能会出现不良反应路径，且每一粒子的系统及能量成本将不切实际。由于每一粒子皆有能量成本，因此每单位功率输入可用于反应的粒子愈多，系统在材料转化方面的效率愈高。
现在，参考电浆催化曲线202，几乎所有粒子皆主动参与化学反应过程，提供了高效得多的过程。值得注意的是，使用电浆催化可使几乎所有粒子皆能参与转化化学，最终产生固体碳。另外，电浆催化无需使用单独触媒来降低活化能，避免与之相关的污染及消耗问题。
关于图3A-图3B显示并讨论了一种可能路径。具体而言，图3A绘示根据一个方面在电浆反应器中分子解离之后促进的化学解离及复合路径300a、300b及300c。图3B在单个图形方案310中图解说明相同路径300a、300b及300c。
如所示，该方案借由引导排气流通过高频大气压非平衡电浆以分解污染物分子(例如，硅烷、硅氧烷、聚硅氧烷、镉氧化物、NOx、SOx、COx、烃等，如本领域技术人员在阅读本揭示案后将会理解)来操作。自该解离分子释放的元素接着由电动势控制以维持解离组分的分离且促进所得物质的处置(例如，收集或释放)。如所示，容许游离氧及氢原子复合成O2及H2O，且释放至空气中。(本领域技术人员将会了解，当存在其他污染物分子时，可产生其他产物，诸如分子氮。)其他元素(主要为碳，但根据一些途径亦包括硫、硅等)是作为固体捕获，接着经收集用于诸如此前所讨论的工业及制造用途。
再次参考图3B，电浆302是借由将挠性基材上的活性薄膜电极的特定布置与经能量最佳化的电磁辐射及电场相组合来生成。该挠性材料围绕气流包裹，且精确地产生必要的频率及能阶用以分解分子。效率至少部分端视电极布置于基材上的精度以及施加至系统的能量而定。
另外，较佳自系统中快速去除氧，以便避免复合且改良总体转化效率。
下文关于将二氧化碳转化为固体碳的效率进一步讨论的图3A-图3B的重要方面是二氧化碳直接解离成固体碳需要极大输入能(例如大约28eV)，但仍极低效(例如大约8.6％转化)。因此，仅采用诸如能够由如本文所揭示的微波反应器生成的电浆将不会产生期望的转化率及固体碳的随后产生。
为解决该缺点，当前阐述的发明性概念利用水(及其各种解离物质)来提供额外解离路径及化学反应路径以将二氧化碳(及其各种解离物质)转化为固体碳。虽然图3A-图3G绘示了若干该例示性路径，但应当理解，该路径是出于说明目的而提供，且不应视为对本文所述发明性概念的范畴的限制。可在不背离本发明的范畴的情况下，实施本领域技术人员在阅读本揭示案后将理解为适宜的任何额外和/或替代的路径。
图3C是显示当调谐能量以达成高效固体碳捕获时单一电子如何可参与多重反应的多重反应路径图320。特定而言，且如所示，具有足够高能量的单一电子可参与多重反应。
图3C考虑利用高能电子作为用于电浆相化学的点火剂的电浆反应器系统中的路径。电浆相反应化学及所得产物可基于解离截面比来调谐。已对二氧化碳、水、氮及诸多其他物质实施各种电子碰撞解离实验。
图3C绘示将CO2转化为固体碳(C(s))的两种可能反应路径。在由实线表示的第一反应路径中，电子e-在步骤322a中直接将CO2转化为C+离子，后者随后在步骤322b中还原为固体碳。然而，根据实验结果，该直接路径极为低效，且仅将大约8-10％(例如，约8.6％)CO2转化为C+。此外，该转化需要大约27.8电子伏特的输入能(或等效地，约280,000凯氏度(degrees Kelvin)的动能)。
因此，当前所揭示的发明性概念利用由图3C中的虚线表示的第二反应路径。根据该路径，电子e-首先在步骤324a中解离CO2，形成CO2 +，后者随后在步骤324b中冷凝(condense)成经解离一氧化碳(CO+)。经解离一氧化碳随后在步骤324c中转化为经解离碳，后者最终在步骤324d中还原以形成固体碳。
若碰撞电子具有大于活化能的能量，则剩余能量将作为电子散射或再辐射。该二次电子可具有足够能量以在电浆化学系统内引起进一步反应，使得一个能量足够高的电子可导致诸多状态的解离。举例而言，一个100eV电子可参与三步解离过程以产生C+，如图3C的第二反应路径中所示。或者，电子可参与CO2至C+的单步直接解离，如图3C的第一反应路径中所示。在后一种情况下，剩余能量可用于反应器系统中别处。对于自含有二氧化碳、水及氮的系统(诸如在化石燃料设备排气中所发现)的碳减排及去除，在不同电子能量下存在若干路径。在本文中参考图3E-图3G呈现关于在当前所揭示的发明性概念的背景下实施的路径的额外细节。
如本领域技术人员在阅读本揭示案后将会了解，该反应路径(尤其第二反应路径)需要一定规模的输入能，其禁止使用热能源，以达成CO2的期望解离状态及其以期望效率向固体碳的对应转化(例如，根据各个方面，最高达约85％、最高达约90％、最高达约95％、最高达约98％、最高达约99％或最高达约100％的转化效率)。
因此，在各个方面中，当前所揭示的发明性概念采用超高频能源，诸如一或多个磁控管、一或多个速调管，或用于生成超高频辐射(较佳微波辐射)的任何其他适宜源，该超高频辐射足以生成电浆，最佳特征在于以下的电浆：大约100电子伏特(eV)的能量(此需要约1吉瓦的输入能)，和/或约1吉赫至约5吉赫范围内的频率。较佳地，能源(和/或对应反应器)配置成使得能量输出可自链接在一起的多个源/反应器中累积，例如，以便促进由串联生成的功率的放大和/或多工(multiplexing)。
举例而言，再次考虑特征在于大约100eV的能量的电浆，在各个方面中，适宜能源可包括100个1兆瓦反应器、50个2兆瓦反应器、25个4兆瓦反应器或连接在一起以输出总共1吉瓦能量的反应器的任何其他适宜组合，以驱动电浆。在较佳方面中，反应器可包括速调管反应器。当然，在替代方面中，可使用不同组合及类型的反应器来满足不同能量输出要求，如本领域技术人员在阅读本揭示案后将会了解。
本文参考图4-图7B提供关于适宜能源配置(或等效地，「反应器」)的额外细节。类似地，本文参考图3E-图3G讨论关于二氧化碳解离成各种物质以及关于水解离以促进图3C中所示的第二反应路径的额外细节。
图3D显示根据一个方面的用于自二氧化碳和水生成固体碳的例示性解离路径。
如图3D中所示，除了直接解离路径外，亦存在二氧化碳和水的诸多多步解离路径，该路径导致形成氧气及碳固体(石墨、金刚石等)。二氧化碳最可能的解离状态(亦即，由最大解离截面限定)是CO2 +。若受到高能电子碰撞，则该解离状态能够进一步解离成C+、O+、CO+、C++或O++。然而，双电荷解离状态由于极小的解离截面而可能性极低。一氧化碳解离状态亦具有用于碳固体形成的电子碰撞解离路径。然而，更重要的是，存在解离水(及因此氢)存在下的化学路径，该化学路径为碳固体形成提供热力学有利的路径。图3D中显示经由经解离一氧化碳与氢之间的反应332(产生碳固体及水)而形成碳固体的一种可能路径。然而，该反应端视系统中氢的存在而定。就经济成本及能源消耗而言，最佳自排气内所含水蒸气中生成氢气。
因此，图3D图解说明利用电子能量将二氧化碳转化为固体碳的碰撞。如先前所述，除利用高能电浆之外，亦利用水可显著增加转化效率，同时亦降低必要活化能(注意图3D中，转换效率增加至62.2％，而活化能降低至大约14eV)。根据较佳方面，借由借助能量控制来控制化学反应路径，达成沉淀出碳的最佳化学反应。借由微波电浆提供的精确控制，尤其如下文更详细阐述，当与AC和/或(较佳脉冲)DC场组合时，使得该能源对于达成最佳性能尤佳。关于用于控制电浆能的一般途径的更多细节可参见2016年11月14日提出申请且标题为「Microwave Chemical Processing」的美国专利第9,812,295号，该专利的内容以引用的方式并入本文。
图3E绘示根据一个方面，当将水暴露于电浆时生成的各种解离状态及相关解离截面。更特定而言，图3E绘示当在电浆反应器中实施反应时的水反应路径顺序。
自图3E的检查将变得显而易见的是，水的解离可产生各种经解离物质，包括直接形成的H2O+(具有62.5％的对应解离截面)、OH+(具有19.9％的解离截面)、H+(具有17.2％的解离截面)及O+(具有0.33％的解离截面)。此外，如由虚线所示，该物质可进一步复合，举例而言，在各个方面中，H2O+可转化为OH+、H+和/或O+；在其他方面中，OH+可复合为H+和/或O+，从而促成每一物质的总体解离截面。
继续参考图3E，路径342导致氢离子的直接形成，该氢离子可用于一氧化碳的随后还原。除了经由一氧化碳与氢氧根离子之间的反应形成COOH(g)的热力学路径之外，亦存在生成氢的若干其他多步解离路径；该COOH(g)的热分解再生二氧化碳及氢，如路径344中所示。
图3F绘示根据一个方面，当将二氧化碳暴露于电浆时生成的各种解离状态及相关解离截面。更特定而言，图3F绘示当在电浆反应器中实施反应时的二氧化碳反应路径顺序。
自图3F的检查将变得显而易见的是，水的解离可产生各种经解离物质，包括直接形成的CO2 ++(具有0.7％的对应解离截面)、CO2 +(具有62.2％的解离截面)、O+(具有17.7％的解离截面)、CO+(具有10.8％的解离截面)及C+(具有8.6％的解离截面)。此外，如由虚线所示，该物质可进一步复合，举例而言，在各个方面中，CO2 ++可转化为CO+和/或O+；在其他方面中，CO2 +可复合为O+、CO+和/或C+；且CO+可生成C+，从而促成每一物质的总体解离截面。
以上解离物质的截面面积是占总截面面积的百分比相对于二氧化碳的碰撞电子能量。特定而言，若处于50eV的电子碰撞CO2分子，则有62.2％的机率将产生CO2 +。此外，该解离状态具有需要克服的必要活化能。在CO2 +的情况下，该所需能量是13.8eV，再次假设水的存在/使用促进各种解离及转化路径。
图3G是显示根据一个方面，当将二氧化碳、水及氮的气体混合物暴露于电浆时其组合解离的解离路径、电子路径及化学反应路径的反应图。尽管图3G中未显示，但在一些方面中，初始解离过程亦可自存在于环境大气中(例如，反应器内)的分子N2生成氮离子(N+)。在各个方面中，该氮离子可碰撞CO2和/或H2O，促进其解离成所示的各种物质。
除了图3E及图3F中显示的解离路径(粗黑实线)外，图3G亦绘示了电子(e-)如何自微波及交流电(AC)场大气电浆中流动且参与解离路径(细实线，小箭头)以及电子如何在该解离路径过程中释放(细虚线，大箭头)。
此外，图3G绘示某些解离物质参与并形成反应器的各种输出(包括固体碳(C(s))、氧气和水)的化学反应路径(粗虚线，大箭头)。更特定而言，经由反应344，一氧化碳及经解离羟基(OH+)可反应以形成COOH(g)，如上文关于图3E所述，后者热分解成二氧化碳及氢。氢随后可用于还原一氧化碳以形成水及固体碳，例如，如反应348中所示。因此，反应346及348代表使用水自二氧化碳气体合成固体碳的两步路径。类似地，经解离水可在反应346中与一氧化碳反应以在单一步骤中直接形成水、二氧化碳及固体碳。
如本文更详细讨论的，控制电浆的条件容许控制特定解离物质及发生的对应化学反应。本文亦揭示用于调谐电浆能量分布以达成最佳反应路径的系统及技术。应当理解，图4-图7B中所示及下文所讨论的各种特征、组件及布置可以本领域技术人员在阅读本揭示案及查看各种附图后将理解的任何适宜方式组合。换言之，虽然图4-图7B显示适于调谐电浆能量分布以达成最佳反应路径的系统及其各种组件的若干例示性方面，但提供该方面仅用于说明目的，且其各种组件本质上应视为模组化的。
如本领域技术人员在阅读本揭示案后将会了解，某些调谐参数端视电子的输入能而定。作为一个调谐实例，电子的输入能可源自结合微波辐射的频率、相位及传播模式的脉冲功率(例如，AC和/或DC场)的性质(例如，形状、工作循环等)。因此，反应顺序是可调谐的，该可调谐性提供用于高效、低成本碳去除的手段。
举例而言，且参考图4，根据一个方面，显示微波气体处理系统的简化垂直截面，该系统包括具有延伸长度的电浆区402的区域隔离反应器400。在操作中，波导406将微波能自微波源引导至包括延伸长度的电浆区402及延伸长度的余辉区430(在本文中亦称为「反应区」)的反应区中。
另外，可控制延伸长度的电浆区域404，以便于微调控制自由基的生成和/或以便于引入额外材料。特定而言，且如所示，第一组热烟流能源410(诸如欧姆加热器件412、介电加热器件414、声子加热器件418)沿延伸长度的电浆区402的长度定位，而第二组热烟流能源1023(诸如电磁能源416和/或视情况存在的光能源(未显示))沿延伸长度的余辉区430的长度定位。尽管图4中未显示，但延伸长度的电浆区402和/或延伸长度的余辉区430可耦合至电压发生器，该电压发生器经配置以生成交流电(AC)场和/或脉冲直流(DC)场，此容许对对应区的温度的精确控制。
如所示，延伸长度的电浆区402的长度足够长，以便适应三个流入口4081、4082及4083以向反应器400提供材料。
在使用中，根据较佳方面，流入口4081及4082可向反应器400提供诸如水及二氧化碳等材料。当然，可在不背离当前所揭示的发明性概念的范畴的情况下，经由流入口4081及4082提供额外或不同的材料。
根据其他方面，第三流入口4083可经配置以将额外材料提供至FEWG(诸如图5中所示及下文中更详细讨论的FEWG 505)中。举例而言，为了用不同化学基团(诸如氟、氧或氮)将石墨烯表面官能化，可将该前驱物作为气流添加至第三流入口中。亦可以此方式达成生长复合粒子。举例而言，可借由将SiH4添加至前述气流中(诸如经由第三流入口)来达成在石墨烯纳米微片(nanoplatelet)的顶部上生长复合SiC表面。
热烟流能源410可为模组化的，使得各种热烟流能源可定位于沿FEWG的任何位置。举例而言，欧姆加热器件402可与电磁能源416交换。此外，该模组化可包括向/自一或多个反应器控制器传讯。下文阐述该配置的一个实例。
能源(诸如欧姆加热器件412、介电加热器件404、电磁能源416、声子加热器件418和/或视情况存在的光能源(未显示))耦合至盘式反应器温度及流量控制器(未显示)。流量控制器进而与一组盘式反应器流量致动器耦合，该盘式反应器流量致动器耦合至流入口4081、4082及4083。此外，一系列温度量测耦合至盘式反应器温度及流量控制器，且可至少部分地基于温度量测来控制任一或多个能源。因此，反应器内的温度可横跨所有区且在反应器的所有区域内控制至精细程度。此外，例如借由调变包括工作循环及频率在内的参数对电浆场的脉冲容许电浆场的精确控制。
根据额外方面，诸如反应器400等反应器使得使用微波辐射促进的大气压电浆还原化学能够生成朝向自二氧化碳中能量高效且低成本地去除碳的路径。可在反应器的各个点处收集所形成的碳固体。所示反应器(其可包括诸如图4中所示的波导406等施加器，且在较佳方面中可包括或涵盖各种热烟流能源410)可按比例缩放且经配置以适应与来自化石燃料发电设备的排气相关联的各种气体混合物。更特定而言，电浆能量及因此化学反应动力学经调谐以特定地针对某些电浆反应顺序，使得自二氧化碳与化石燃料发电设备排气中的其他气体的混合物发生高效的碳固体及氧气的形成及分离，从而减少或完全消除化石燃料发电设备的所谓「碳足迹」。
因此，图4绘示区域隔离反应器400的若干组件。所示反应器是为梯度(graded)热输出而设计的复杂双表面波电浆系统，其产生数层石墨烯的石墨烯纳米微片的成核及生长。反应器体积气体及粒子共振时间容许自其他生长的微片的再成核及生长，此导致共价键合的碳-碳连接的纳米微片的复杂成簇。在该方面及其他方面中，可针对板大小、板间距、晶格间距以及孔隙体积及孔隙大小来调谐该区域隔离反应器400。严格地作为调谐及控制实例，微波源可经功率控制及脉冲，以便促进成核及生长方面，该方面导致形成具有特定板大小、板间距、晶格间距、孔隙体积、孔隙大小等的纳米微片。此外，且如所示，电浆烟流柱的长度可针对长度实施调谐，有或无由产热器件(例如，欧姆加热器件412、介电加热器件414等)提供的额外能量。
在一些方面中，电浆烟流可延伸，诸如由实质上延伸穿过反应器400的所示延伸长度的热余辉所示。延伸长度可足够长，且可控制穿过延伸长度的流量以便促进容许自其他生长的微片再成核及生长的粒子共振时间。各种能源(例如，声子加热器件418、电磁能源416、视情况存在的光能源(未显示)等)可以导致共价键合的碳-碳连接的纳米微片的复杂成簇(诸如，根据各个方面，如图9A-图9L中所示)的方式来控制。该材料可作为由电浆烟流内或热余辉中的反应形成的固体碳收集。
图5是具有热烟流能源523的微波气体处理系统的简化垂直截面。该气体处理系统包括区域隔离反应器501，后者具有实质上等距地隔开的两个独立可控的能量输入(例如，能量输入1及能量输入2)，以向FEWG 505提供能量。
可能存在诸多由FEWG 505的各种对应长度限定的区。严格地作为一个实例，图5绘示了由电浆柱长度(L1)限定的电浆区595及由余辉柱长度(L2)限定的反应区596。如图5中所示，电浆区具有沿电浆柱长度的两个流入口(例如，流入口5081及流入口5082)。所示流入口中的每一者皆是独立可控的，使得第一流入口用于以第一流量将材料引入沿FEWG 505的第一位置中，且使得第二流入口用于以第二流量将第二材料引入沿FEWG 505的第二位置中。
独立控制材料流同时控制沿电浆柱长度的热烟流能源的能力可获得控制电浆区域502内的能阶的能力，此进而可获得对在将所引入材料转化为特定分离组分期间发生的一或多种反应路径的可控选择。然而，在所引入材料转化为特定分离组分期间发生的某些反应路径需要更长的路径和/或在路径中花费的更长时间和/或沿路径的不同温度范围，使得需要延伸电浆柱的长度。此借由提供具有延伸长度的所示反应区596来适应。此进一步借由控制一组热烟流能源来适应。具体而言，贯穿FEWG 505整个长度的区域的温度控制可借由选择、控制及定位多种热烟流能源中的任何一种来适应。严格地作为说明性实例，电浆区域502中的温度可至少部分地由能量输入1控制，而余辉区域503中的温度可至少部分地由能量输入2控制，而任何所示二次区中的温度可至少部分地由额外热烟流能源(未显示)控制。
因此，通过FEWG 505的路径及等温线可至少部分地借由选择及设计FEWG，且至少部分地借由控制通过入口的流量，且至少部分地借由控制额外热烟流能量输入来控制。
如本文所用，术语『热烟流』是指反应器内形成电浆和/或发生化学反应的一或多个区域。在例示性方面中，邻近反应器内的两个或更多个区域提供两个或更多个不同的独立可控的能源。此外，在例示性方面中，第一区域(例如，电浆区域502中)的平均温度高于第二区域(例如，余辉区域503中)的平均温度。
图5绘示邻近所示电浆区域502的余辉区域503。可在一个或两个区域中控制不同的电浆及化学过程。具体而言，电浆区域中的等温线可借由控制能量输入1来控制。此有助于严格控制电浆区域中的电浆相互作用。类似地，余辉区域中的等温线可借由控制能量输入2来控制。此有助于严格控制余辉区域中的化学相互作用。
可借由控制电浆区域及余辉区域中及之间的等温线来至少部分地促进对所引入材料的特定化学反应的控制。对电浆及中性气体温度的控制可容许将构筑前驱物(诸如C2基团)的通量最佳化。举例而言，小区域中过多的C2可导致非晶形碳及额外石墨烯层的形成；然而，较长区域内较低浓度的C2使石墨烯微片得以生长受控，此有利于生长通常在诸多应用中广受欢迎的更长微片。因此，在较长时期内具有受控的C2浓度有利于生长动力学，而不是在短距离内具有强烈的C2源。
对于反应器内的进一步材料处理，FEWG 505可配有限定二次反应器内区515(例如，二次区1、二次区2、二次区3、二次区4、……二次区N)的任何数目的组件。每一二次区可借由在第一维度(如所示)上和/或在第二维度(未显示)上对其对应组件定大小来独立地定大小。在一些方面中，二次区的顺序可基于具体期望路径来确定。举例而言，二次区1之后可为二次区3，之后为二次区2，之后为二次区4等。在一些方面中，二次区的选择可基于具体期望路径来确定。举例而言，二次区1之后可为二次区3，无任何其他二次区。在一些方面中，限定任何一或多个二次区的组件可以可移除地附接至先前组件和/或后续组件。举例而言，限定二次区1的组件可以可移除地附接至FEWG 505(如所示)，和/或限定二次区N的组件可以移除地附接至包括FEWG 505本身在内的任何其他组件。
图5的装置的描绘未必按比例绘制。此外，FEWG 505的所示长度L1及长度L2可相对于彼此相对较长或相对较短。
长度L1及长度L2的物理形状可设计为在材料通过反应器的长度L1及长度L2时引起更长或更短的滞留时间。此外，不同且独立可控的能量输入(例如，能量输入1、能量输入2)用于控制通过反应器的长度L1及长度L2的材料所经受的温度及温度变化。
两个单独的流入口(流入口5081及流入口5082)容许在进入FEWG 505之前或之后混合两种或更多种材料。包括例如活性材料组分及导电材料组分的材料混合物可用于诸多应用，诸如电子学、汽车及航空航天。该材料的混合物经常受益于一些下伏结构。举例而言，一些结构复合物利用具有高抗拉强度的材料的纤维网片或编织物以在一个或两个方向上提供强度。该材料的纤维网片或编织物嵌入具有较低弹性模数的基质材料中以提供挠性。受益于活性及导电材料混合物内的下伏结构的另一应用是电池电极，其中活性材料是能量储存材料，且基于金属或碳的粒子提供导电性。
与该混合物的下伏结构有关，活性材料或导电组分的表面积亦可能是重要的。高表面积可在活性材料与导电材料之间提供高界面面积，或者在其上可发生反应。在诸多应用中，碳同素异形体对于该混合结构化材料中的导电材料组分有吸引力，此乃因其可以高电导率及热导率且以高表面积产生。
制备该复合材料的习用途径包括在基材上生长结构化碳同素异形体(例如，纳米结构化石墨烯)，及接着将活性材料组分沉积至结构化碳材料的孔中。然而，虽然高品质碳同素异形体需要高生长温度(例如，大于500℃)，但诸多其他材料不能耐受该高处理温度。因此，区域隔离反应器501可配置有FEWG 505的延伸长度，使得可实施在余辉区域503内较低温度下的化学处理。可提供及控制额外能量输入(例如，能量输入2)，以便至少在长度L2上维持温度或等温线。
图6显示根据一个方面的阵列610中的多个反应室602a-602f的例示性配置600。在一些实施方案中，配置600可包括放大器601、包括多个反应室602a-602f的阵列610及容器603，如图6中所示。亦即，图6的配置600包括耦合至包括六个反应室602a-602f的阵列610的一个放大器601，该反应室共同耦合至容器603。虽然图6的配置600包括耦合至包括共同耦合至一个容器603的六个反应室602a-602f的阵列610的一个放大器603，但应当理解，配置600的替代方面可包括多个放大器601和/或多个容器603，其各自分别耦合至阵列610，该阵列可包括多于或少于六个反应室。举例而言，配置600的一个替代方面包括耦合至包括六个反应室的阵列的两个放大器，该反应室共同耦合至一个容器。配置600的另一替代方面包括耦合至包括六个反应室的阵列的两个放大器，该反应室共同耦合至三个容器。另外，每一反应室皆可配置为图7中所示的一或多个反应室732。
配置600显示为实例。额外或更少的组件可耦合在一起以达成特定输出量的碳质材料。举例而言，在一些实施方案中，十个或更多个反应室可耦合至一个放大器。另外，可使用功率组合器(图6中未显示)组合多个放大器。以此方式，由每一放大器输出的微波辐射可由功率组合器组合且随后以更高的能阶发射至一或多个反应室中。在一些方面中，多个放大器、功率组合器及阵列的多个反应室的组合及组织可称为「多工」。多工可包括时分多工，是指将由一或多个放大器发射的微波辐射引导至阵列的一或多个反应室中。亦即，借助多工，可将微波辐射引导至各别阵列的少于全部的反应室，或基于对碳质材料的输出偏好而引导至特定反应室组。
关于使用单微波发射器为多个反应室供电的一般途径的额外细节可参见2017年8月14日提出申请且标题为「Microwave Chemical Processing Reactor」的美国专利第10,937,632号，该专利的内容以引用的方式并入本文。
图7A-图7B显示根据一些实施方案的实例反应器系统700A-700B的图。在一个实施方案中，反应器系统700A-700B的反应室732中的每一者皆可为阵列610的反应室602a-602f的实例。另外，反应器系统700A-700B中的每一者皆可包括沿长度L0的电磁场增强区731，以集中通过反应室732在方向A上发射的微波辐射736。此外，在一些实施方案中，反应器系统700A-700B中的每一者皆可包括或可不包括介电障壁，诸如石英室，该介电障壁将电磁场增强区731与沿反应室732的长度L2的反应区770隔开。
反应器系统700A可耦合至控制电路和/或放大器，例如图6的放大器602。反应器系统700A可包括反应室732，后者可为图6的系统600的反应室602a-602f的一个实例。以此方式，反应器系统700A可结合与图6的系统600相关的任何组件起作用以输出碳质材料780。
图7A的反应器系统700A的反应室732可包括供应气体入口734、第一压力障壁722、第二压力障壁724、波导730、电磁场增强区731、原材料入口760、在电浆区域735内生成的电浆737及经配置以输出碳质材料780的出口738。第一压力障壁722和/或第二压力障壁724可定位于放大器601限定的邻近度内，以由此保护放大器免于暴露于电浆737自电浆区域735朝向放大器601的回流。
举例而言，在一个实施方案中，第一压力障壁722和/或第二压力障壁724可定位于波导730内的电磁场增强区731内，如图7A中所示。在其他替代实施方案中，第一压力障壁722和/或第二压力障壁724可紧挨电浆障挡物746之前且沿反应室732的区段长度LB定位。在一些方面中，第一压力障壁722和/或第二压力障壁724可由石英、乙烯四氟乙烯(ETFE)、其他塑胶和/或陶瓷形成。另外，反应室732可包括位于第一压力障壁722与第二压力障壁724之间的喷出埠726。喷出埠726可包括一或多个阀，该阀可在供应气体733和/或电浆737的积聚物破坏第二压力障壁724时打开。以此方式，喷出埠726可视需要排出物质以恢复至期望的操作条件。
为活化并操作图7A的反应系统700A，控制电路710可输出控制信号715以控制放大器601，以在方向「A」上以例如特定脉冲频率将微波辐射736发射至反应室732中。另外，供应气体733(其可包括氢气、氦气、惰性气体和/或含烃气体，诸如甲烷(CH4))可由供应气体入口734在方向「A」上输送和/或流动至反应室中。供应气体733可在整个反应室732中向下流向出口738，且由此至少暂时驻留于反应区770内。在一些方面中，波导730可指反应室732的外表面。波导730可沿区段长度L0逐渐变细，以具有自第一截面区域751向第二截面区域752逐渐减小以包封电磁场增强区731的截面区域750。
以此方式，由于截面区域750沿区段长度L0逐渐减小，因此由放大器601发射的微波辐射736可在方向「A」上集中于电磁场增强区731内。集中的微波辐射736可电磁激发反应区770中的供应气体733，以点燃并由此在电浆区域735内自生成电浆737。另外，电极E1及E2较佳地位于反应区770的相对侧上，且用于生成影响反应区770内发生的化学反应的电场。最佳地，在操作中，在电极E1与E2之间维持大约180度的相位差，无论对应场是使用直流电还是交流电来生成。
电浆可包括含碳自由基，诸如甲基自由基771，当进一步由微波辐射736电磁激发时，该碳自由基可在电浆区域735内组合且复合。甲基自由基771的该组合及复合可包括自成核以产生碳质材料780。以此方式，碳质材料780可借由出口738自反应室732输出。
在一个实施方案中，反应室可具有总体长度L，该长度可进一步细分为多个区段长度，包括LA、L0、LB、L2及L1，该区段长度中的任何一或多者可如图7A-图7B中所示，或以其他配置重新配置。举例而言，在一些实施方案中，反应系统700A的反应室732可具有在大约10公分(cm)与15cm之间的总体长度L，以提供诸如大约在10g/hr.与1kg/hr.之间的输出量。在其他实施方案中，对于诸如大于1kg./hr的工业规模的输出要求，反应室732可具有在40cm至60cm之间的总体长度L。另外，反应室732沿区段长度LB的第二截面区域752可具有大约2.5cm×7.5cm的尺寸，以用于以2.45GHz的频率输送时的微波辐射736。在一些方面中，第一截面区域751、第二截面区域752和/或截面区域750中的任何一或多者的尺寸可根据微波辐射736的频率来选择。举例而言，在一些实施方案中，第二截面区域752可为大约12cm×6.3cm，以用于以大约2.1GHz-2.7GHz的频率发射时的微波辐射736。另外，第一截面区域751可比第二截面区域752大大约30％-100％。
在一个实施方案中，反应室732可具有如图7A中所示的总长度L、区段长度LA及区段长度LB。在该实施方案中，LB中的第二截面区域752小于LA中的第一截面区域。电浆737可借由在暴露于微波辐射736后输入至L1中的电浆区域735中的供应气体733的自点火来生成。以此方式，电浆737可产生适于将原材料745处理成碳质材料780和/或原材料745的一或多种组分的高能环境。在一些方面中，总长度L可在1cm与1,000cm之间的近似范围内。区段长度L0可大约在1cm与100cm之间。区段长度L1可大约在1cm与100cm之间。区段长度L2可大约在1cm与1000cm之间。在一些实施方案中，相对较高的气体流速可将L1和/或L2相对于其各别原始长度延伸各种比例，诸如0％-100％。在一些方面中，图7A-图7B的任何一或多个反应器系统700A-700B的反应室732分别可将内部压力维持在一或多个近似范围内，包括大约在0.1atm与10atm之间，和/或0.1atm及10atm内的一或多个范围。在正压环境中操作反应器系统700A-700B可防止电浆区域735中生成的电浆737朝向放大器601的不期望的回流。
反应器系统700A-700B的一或多个反应室732可由固有导电材料和/或包括导电涂层的材料制成，以例如促进由放大器601发射的微波辐射736的大于90％的发射。适宜实例可包括金属、含金属材料、具有导电涂层的金属、陶瓷、含陶瓷材料、具有导电涂层的陶瓷材料、不锈钢、涂有包括铝、镍、银或镍-银合金的导电层的不锈钢、具有铝衬里的不锈钢、和/或涂有导电层的陶瓷材料。
反应器系统700A-700B中一或多者的反应室732的波导730和/或反应区770可促进电浆区域735内电浆737的生成。以此方式，反应室732可无需额外或单独的波导和/或石英反应室以生成电浆737。另外，波导730和/或反应区770的促进电浆737点燃的配置可使得能够处理最高达1,000公升(L)的更大体积的供应气体733。举例而言，在一些实施方案中，原材料745(诸如悬浮于惰性气流中的微粒物质)和/或供应气体733可分别以一或多个近似流量范围(诸如1slm(标准公升每分钟)至1,000slm，和/或1slm及1,000slm内的任何更小范围)流过入口760和/或供应气体入口734。
在其他实施方案中，原材料745可为借助原材料入口760输送至反应室732的反应区770中的液体。原材料745可为或包括水、烷烃、烯烃、炔烃、芳烃、饱和和/或不饱和烃(包括烷烃、烯烃、炔烃或芳烃)、乙醇、甲醇、异丙基醇(诸如异丙醇)等。以此方式，原材料可产生作为分离组分的碳和氢。液相中原材料745的流量可为流入反应器中的供应气体733的百分比，包括0.001％至1,000％、或0.001％至100％、或0.001％至10％、或0.001％至1％、或0.001％至0.1％、或0.01％至1000％、或0.01％至100％、或0.01％至10％、或0.01％至1％、或0.01％至0.1％。
在一些实施方案中，原材料745可为借助原材料入口760输送至反应室732中的胶体分散体。举例而言，胶体分散体可包括各种未处理的碳质材料。可用作原材料745的胶体分散体的一些实例包括来自第16族、第14族、第10族、第9族、第5族、第2族、第1族、其合金、其混合物的固体粒子中的一或多者，并且/或者可与液体或气体混合。用于原材料745中的胶体分散体中的固体粒子可与诸如以下等液体混合：水、烷烃、烯烃、炔烃、芳烃、饱和及不饱和烃(诸如烷烃、烯烃、炔烃或芳烃)、乙醇、甲醇、异丙醇或其混合物，诸如乙醇/甲醇的50/50混合物。
在一些方面中，供应气体733和/或原材料745可包括一或多种气相物质，诸如来自第1族和第15-18族的气体，以及无机化合物，诸如第14族氢化物。以此方式，原材料745可在反应室732内处理且产生碳质材料780，以及一或多种分离组分，包括涂覆在有机材料中的固体无机材料，及具有有机/无机材料夹层的复合材料。当制备为如上文所呈现的胶体分散体时，原材料745可作为流入反应器中的供应气体733的百分比(诸如0.001％至1000％、或0.001％至100％、或0.001％至10％、或0.001％至1％、或0.001％至0.1％、或0.01％至1,000％、或0.01％至100％、或0.01％至10％、或0.01％至1％、或0.01％至0.1％)流入反应室732中。
另外，原材料745可仅为气体，而不含悬浮于气体中的微粒物质。举例而言，在一个实施方案中，供应气体733可为惰性气体，诸如氩，且原材料可为含烃气体，诸如C2H2、C2H4、C2H6。另外，原材料745可为甲烷(CH4)，且由此分离成包括氢及纳米微粒碳的组分。在其他实施方案中，原材料745可为在水中鼓泡的二氧化碳(CO2)以产生包括氧、碳和水的分离组分。在一些方面中，原材料745可为或包括硫化氢(H2S)以得到分离组分，可包括氢气和硫。在一些实施方案中，原材料745可不含二氧化碳。在一些其他实施方案中，原材料可为基于气体的复杂材料，诸如硅烷(SiH4)、三甲基铝(TMA)、三甲基镓(TMG)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、SF6、和/或半导体工业中通常用于沉积及蚀刻金属及介电质的其他物质和/或材料。
在一些方面中，图7A-图7B的反应器系统700A-700B的一或多个反应室732分别可耦合至气固分离器795，该气固分离器可分离自出口738输出的组分。在由图7A所示的实施方案中，气固分离器795可与反应室732分离，但可存在气固分离器795可与反应室732耦合或一体形成的其他配置。气固分离器795可自出口738接收包括碳质材料780的经处理材料，以及包括原材料745和/或供应气体733的额外物质和/或气体，以及一或多种副产物。在一些实施方案中，气固分离器795可将碳质材料780与一或多种诸如以下等其他组分分离：碳黑、碳纳米洋葱(CNOs)、颈状CNOs、碳纳米球、石墨、热解石墨、石墨烯、石墨烯纳米粒子、石墨烯微片(graphene platelet)、富勒烯(fullerene)、杂化富勒烯、单壁纳米管和/或多壁纳米管。由气固分离器795分离的碳质材料780和/或固体组分中的一或多种可包括碳质聚集体，每一聚集体皆具有大约50微米、或大于100微米、或大于200微米、或大于300微米、或大于500微米、或大于1,000微米、或1至1,000微米、或10微米至1,000微米、或100微米至1,000微米、或100微米至500微米的主要尺寸。
可借由放大器601输出的微波辐射736，就各种物理参数(包括电浆737的温度、压力和/或密度)方面来调谐电浆区域735，以就物理性质或特性方面来对应地调谐碳质材料780。举例而言，控制电路710可控制放大器601将微波辐射736的发射脉冲至反应室732中。调谐微波化学处理系统中微波辐射736的额外细节揭示于美国专利案第9,812,295号中，该专利案已受让于本申请案的受让人且以全文引用的方式并入本文。
在一些实施方案中，电浆737中的平均能量可由控制电路710，借由例如改变脉冲周期和/或借由选择脉冲频率以达成期望的电浆能量来控制。另外或替代地，电浆737的平均能量可借由调整控制信号715的工作循环来控制。举例而言，放大器601的时间平均输入功率及脉冲周期皆可保持恒定，而控制信号715的工作循环可变化。在一些方面中，较短的工作循环可增加发射至反应室732中的微波辐射736的功率量值。以此方式，可使用相对低量的功率，以在类似功率设置下和/或在微波辐射736的连续波形下可能不可行的速率生成碳质材料780。
在一些实施方案中，可借由控制输入至电浆737中的时间平均功率来选择在电浆区域735中的电浆737内发生的反应路径。举例而言，保持放大器601的工作循环及脉冲频率同时增加输入至放大器中的功率可能引起电浆737的总体能阶增加。在另一实例中，将微波辐射736更有效地发射至反应室732中亦可引起电浆737的总体能阶在恒定的工作循环及脉冲频率等下增加。在一个实施方案中，供应气体733和/或原材料745可包括甲烷，其可借由气固分离器795分离为氢及纳米微粒碳。通常，解离甲烷可能需要4-6eV，此在电浆737的能阶在初始点火能量尖峰后可能稳定在大约1.5eV的情况下是不期望的。控制电路710可使放大器601脉冲微波辐射736的发射，以将平均电浆能量维持在相对较高的位准。
反应室732的电浆区域735中的电浆737可为非热平衡电浆，且由此不断改变包括温度在内的一或多个物理或化学参数，以容许微波辐射736更深地和/或更充分地渗透至电浆737中。举例而言，在一些实施方案中，电浆737在整个脉冲周期上的平均能量可为0.9eV至20eV、或0.9至10eV、或1.5eV至20eV、或1.5eV至10eV、或大于0.9eV、或大于1.5eV。电浆737的能量可基于由控制电路710所控制的碳质材料780的偏好来调谐。举例而言，控制电路710可使放大器以一或多种包括915MHz、2.45GHz或5.8GHz在内的界定频率发射微波辐射736。控制电路710可启用500Hz至1000kHz、或1kHz至1000kHz、或10kHz至1000kHz、或40kHz至80kHz、或60kHz至70kHz、或大于10kHz、或大于50kHz、或大于100kHz的脉冲频率。
放大器601可作为连续波或以具有以下时间平均功率的脉冲方式发射微波辐射736：1至100kW、或1kW至500kW、或1kW至1MW、或10kW至5MW、或大于10kW、或大于100kW、或大于500kW、或大于1MW、或大于2MW。在一些方面中，脉冲周期具有微波功率开启的第一持续时间，及微波辐射736关闭或处于比第一持续时间期间更低的功率的第二持续时间。第二持续时间可长于第一持续时间。给定系统的最佳工作循环端视诸多因素而定，该因素包括微波功率、脉冲频率及脉冲形状。工作循环(诸如微波辐射736开启的脉冲周期的分数，表示为百分比)可为1％至99％、或1％至95％、或10％至95％、或20％至80％、或50％至95％、或1％至50％、或1％至40％、或1％至30％、或1％至20％、或1％至10％、或小于99％、或小于95％、或小于80％、或小于60％、或小于50％、或小于40％、或小于30％、或小于20％、或小于10％。
反应室732可不包括介电障壁，诸如石英窗。在具有介电障壁的反应器系统的操作期间，可降低穿过介电障壁发射的微波辐射的强度。以此方式，较低量的微波辐射可用于电磁激发供应气体，从而导致相应较低量的电浆的点火。另外，来自供应气体入口734的供应气体的输送与微波辐射736的发射的平行定向可防止副产物在反应室732的各个内表面上的不期望的积聚。在一些方面中，反应室732可包括电浆障挡物746，后者可防止电浆区域735中的电浆朝向放大器601和/或供应气体入口734回流。电浆障挡物746可由陶瓷形成或形成为包括孔的金属过滤器，其可容许微波辐射736通过，同时如所述防止超过80％的电浆回流。
原材料入口760可如图7A中所示定位于波导730与反应区770之间。另外或替代地，原材料入口760可定位于反应室732上的区段长度L0、LA或沿总体长度L的其他区段长度内。反应室732的包封反应区770及电浆区域735的壁可形成有孔以适应由原材料入口760输送的气体物质的向内流动。在一些实施方案中，除了或代替由供应气体入口734输送的供应气体733，原材料入口760亦可将供应气体733输送至反应室732中。原材料入口760亦可将原材料(诸如碳黑和/或其他形式的未处理碳质材料)输送(诸如，注射)至反应区770中。
图7B显示根据一些实施方案的反应室602a-602f的实例配置。反应器系统700可在诸多方面类似于图7A的反应器系统700A，使得本文不再重复对相同元件的描述。在一些实施方案中，反应器系统700B可包括再循环供应气体入口790，后者可接收可补充供应气体733以产生电浆737之前驱气体784。前驱气体784可包括氢气、氩气、氦气或各种惰性气体中的一或多种。此外，类似于图7A中所示的方面，如图7B中所示的反应器系统700B包括定位于反应区相对侧上的电极E1及E2，该电极用于生成电场且影响反应区中发生的化学反应。根据图7B的方面，电极E1及E2相对于反应区以一定角度定位，导致沿反应区的长度变化的场强(归因于各别电极与反应区之间的不同距离)。虽然图7A及图7B中所示的电极E1及E2绘示为扁平电极，但本领域技术人员将了解，可在不背离当前阐述的发明性概念的范畴的情况下，采用其他电极配置，例如弯曲、圆形、图案化等电极。在较佳途径中，将电极E1及E2相对于反应区以一定角度安置有助于更均一的反应路径通量密度。在图7B的反应器系统700B的实例配置中，气固分离器795可耦合至出口738且分离由出口738自反应室732输出的材料，以得到未转化的温室气体782。
在其他实施方案中，未转化的温室气体782可借助进入再循环供应气体入口790的导管785再循环回反应室732中，以用作前驱气体784。未转化的温室气体782的再循环可为电浆737增加能量，且亦可热裂解原材料。举例而言，在一个实施方案中，未转化的温室气体782可为2标准公升每分钟(slm)至10slm的氢气(H2)，其可借助导管785再循环回反应室732的波导730中。以此方式，反应室732可输出总共150至200slm的H2。另外或替代地，可使少于全部的量的未转化的温室气体782再循环以满足反应室732的特定输出要求。
举例而言，在一个实施方案中，可使2-10slm的H2中的大约50％如所示再循环回波导730，其余部分自气固分离器795输出。在其他实施方案中，未转化的温室气体782的量或比例可基于供应气体733的特征。举例而言，在一个实施方案中，供应气体733可为氢气且原材料745可为甲烷(CH4)。以此方式，甲烷可暴露于由如由控制电路710控制的放大器601发射的微波辐射736且由其电磁激发。电浆737可为基于微波辐射对一些甲烷的激发而在反应室732的电浆区域735中生成的基于氢的电浆。甲烷的剩余部分可在暴露于微波辐射736后裂解以生成甲基自由基771和氢气。以此方式，至少一些自裂解甲烷产生的氢可作为未转化的温室气体782再循环且形成输入至再循环供应气体入口790中之前驱气体784。该再循环气体接着可用于进一步裂解电浆区域中普遍存在的甲烷以提高反应室732的操作效率。另外，再循环的氢可处于相对高的温度下，由此加热电浆区域中的甲烷且需要来自微波辐射736的较低能量输入。
图8图解说明根据一个方面绘示二氧化碳和水的样品解离状态的能量调谐图。
已利用迭加在调变电场上的微波辐射证实大气压电浆条件。微波辐射的迭加用于增加电子密度且降低对因调变电场所致的帕申击穿(Paschen’sbreakdown)(解离)的要求。已以实验方式研究由包括氩气、氮气、二氧化碳、氧气和氦气在内的气体形成的大气压电浆，且一些配置和调谐达成接近0.95的解离分数。
以给定能量(eV)碰撞分子的电子具有用于解离的有效截面区域。举例而言，碰撞氮气分子的100eV电子将具有2.19E-16cm2的有效解离截面。若解离分子具有多种解离状态，诸如图8的两个图中所绘示，每种状态皆将存在一有效解离截面。一解离截面与总和的相对比率提供了将产生该解离状态的统计机率。
自图8可看出，且首先参考绘示二氧化碳输入的解离状态的上部分，显而易见准稳态CO2 +是在所有解离能下产生的主要物质，其截面在约100％(在大约25eV下)至约65％(在大约100eV下)的范围内。在相同能量范围内的其他具有明显截面的物质(约10-20％)包括O+、CO+和C+。值得注意的是，双解离物质CO2 ++、C++和O++在整个能量范围内皆以可忽略的量产生。
现在参考图8的下部，显示解离水的解离截面和对应能量。再次，准稳态水(H2O+)是在解离能范围内生成的主要物质。然而，经解离氢氧根OH+在高于大约30eV的能量下以大约20％的截面存在，且经解离氢(质子)在约30eV的能量下展现出约7％的截面，且当能量升至100eV而上升至约15％。
因此，自图8中所示的曲线，显而易见产生用于将二氧化碳转化为固体碳的期望物质(例如，根据图3A-图3G中所示的各种路径)，需要具有至少20eV的能量的电浆，且具有约100eV的能量的电浆特别适于将转化效率提高至本文所述的期望水准。
如上文所示和讨论的，特别参考图3A-图3G，控制该各种物质的解离状态以及将二氧化碳转化为固体碳的对应化学反应是当前所揭示的发明性概念的主要焦点。事实上，根据一些例示性方面，若干该固体碳的样品影像如下示于图9A至图9L中。
图9A至图9L中所示材料为诸如图6中所示且参考上文图4-图7B所讨论的施加器601内二氧化碳裂解制程的实际固体碳输出的SEM图片(图片9A00、图片9B00、图片9C00、图片9D00、图片9E00、图片9F00、图片9G00、图片9H00、图片9I00、图片9J00、图片9K00、图片9L00)。更特定而言，将气态二氧化碳和其他气体在施加器中混合，以便将气体解离成分子物质，使得碳生长至其他碳上以形成微粒碳固体。如前文所示，收集固体碳，从而产生用于减缓CO2温室气体的碳捕获机制。该经捕获碳并非废物。事实上，该固体碳具有诸多工业用途。上文提及该工业用途的举例。
图10是根据一个方面的耦合至各种化石燃料和温室气体来源(包括炼油厂1002、发电设备1004和甲烷去碳精制厂1006)的二氧化碳处理设施1030的简化示意图。因此，图10绘示对应于基于化石燃料的生产者-消费者生态系统的系统布置。
该示意图显示自消耗化石燃料至生成无污染所得物的分子流动进程。生产者-消费者生态系统的组件的操作有助于实践用于清洁化石燃料电力生产的高效固体碳捕获方法。特定而言，标记为二氧化碳处理设施1030的组件包括用于将来自发电设备1004的排气流引导至其中具有微波反应器的二氧化碳处理设施1030中的管道或其他构件。视情况，水可存在于排气中，并且/或者可自补充的H2O源向二氧化碳处理设施1030提供水。微波反应器经配置以将排气的二氧化碳解离成气态氧和微粒碳固体1032。二氧化碳处理设施1030经配置以用于(1)将气态氧和水释放至环境中；且(2)经进一步配置以用于(2)将微粒固体碳捕获至密封外壳(containment vessel)中。
在一些情况下，二氧化碳处理设施1030接收来自发电设备1004的输出物(例如，水蒸气H2O)，且甲烷去碳精制厂1006接收来自炼油厂1002的输出物(例如，甲烷)。如所示，炼油厂1002和/或甲烷去碳精制厂1006亦产生重质石油产物1022(例如，柴油、汽油、石油焦等)和氢1024。在一些情况下，甲烷精制厂经配置以产生粉状碳产物1026。
如所绘示，输入及输出的所有分子皆被消耗(例如，以产生电力)，或释放清洁气态氧，或捕获为固体微粒碳。在一些生态系统中，炼油厂产生诸多不为所示甲烷和重质石油产物1022的产物。举例而言，炼油厂可产生其他产物，诸如石脑油和丁烷。此外，炼油厂可产生在额外下游设施(例如，在酸性水蒸汽汽提塔中)处理的副产物(例如，H2S)。
现在将依照使用者的期望，关于可或可不实施前述方法的各种视情况存在的架构及使用阐述更多说明性资讯。应特别注意，陈述以下资讯是用于说明目的，且不应将其视为以任何方式加以限制。可在排除或不排除所阐述的其他特征的情况下，视情况并入任何以下特征。
图11图解说明根据一个方面的用于将二氧化碳转化为固体碳的方法1100。作为一种选择，方法1100可在任何先前和/或随后的图和/或其描述中阐述的任何一或多个方面的背景下实施。然而，当然，方法1100可在任何期望环境的背景下实施。此外，上述定义同样可适用于以下描述。
如图11中所示，方法1100包括在反应器中接收二氧化碳和水，该反应器经配置以生成电浆。二氧化碳和/或水可根据各种方面，以任何适宜方式(例如经由注射至反应器中)接收。反应器可包括本文所述和各种附图、尤其图4-图7B和/或图10中所示的任何配置，或者可包括以本领域技术人员在阅读本说明书后将理解的任何适宜方式布置的其中所示的各种组件。
继续参考图11，在操作1104中，方法1100涉及使用电浆解离二氧化碳和水以形成一或多种解离物质。根据较佳途径，解离物质可包括本文所述和/或各个附图中、尤其参考图3A-图3G和/或图8所示的任何该物质。
在图11的操作1106中，将解离物质暴露于电场，该电场经配置以促进一或多种化学反应。较佳地，电场是或包括AC场和/或脉冲DC场，如上文更详细地阐述。在各种途径中，化学反应可包括本文阐述为适于生成固体碳和/或阐述为用于生成固体碳的多重反应的适宜路径的一部分的任何反应。举例而言，在图3A-图3G中显示且参考该图阐述的反应属于欲在当前阐述的发明性概念的背景下促进的较佳反应。在替代方面中，代替或除了固体碳之外，可生成其他最终产物，诸如基于硫的化合物。
方法1100亦包括操作1108，其中经由化学反应生成固体碳。如上文更详细地阐述，高效地生成固体碳涉及使用水作为输入材料，以及对电浆和/或电场实施微调以生成用于发生化学反应的适当的热和/或动力学条件。举例而言，最佳参数降低解离所需的活化能且促进产生期望物质，用于参与随后的化学反应，以形成期望的最终产物，例如，本文所述的各种形式的固体碳。
在操作1110中，方法1100涉及自反应器输出固体碳。固体碳可以本领域技术人员在阅读本揭示案后将了解的任何适宜方式输出。较佳地，在输出之前，例如使用气固分离器将固体碳与其他原材料(例如气体)分离，且输出至适当容器。
根据各种途径，方法1100可包括不为上文刚刚阐述的额外或替代操作和/或特征。
举例而言，在一个方面中，使用电场促进化学反应可包括调变由耦合至反应器的控制电路生成的控制信号的频率和/或工作循环。此外，化学反应可包括第一反应，该第一反应经配置以在单一步骤中自一氧化碳和水生成固体碳；和第二反应，其经配置以在两个步骤中自一氧化碳和水生成固体碳。
较佳但绝非必要地，二氧化碳和水是自耦合至反应器的发电设施接收的流出排气流的组分，且生成固体碳减少发电设施的碳足迹。
在各种途径中，固体碳可为或包括一或多种诸如以下等材料：碳黑、碳纳米洋葱(CNOs)、颈状CNOs、碳纳米球、石墨、热解石墨、石墨烯、石墨烯纳米粒子、石墨烯微片、富勒烯、杂化富勒烯、单壁纳米管、多壁纳米管及其组合。
继续参考方法1100，且如上文所述，自反应器中去除氧以避免在不导致产生固体碳(或其他期望产物)的路径中各种解离物质与其复合是有利的。
根据各个方面，当前所阐述的发明可体现为系统、方法、物质的组成物或其组合。该方面可以任何适宜方式组合，且可根据不同实施方案包括(或排除)本文所揭示的特征的各种排列，此并不背离本发明的范畴。本描述中呈现的例示性发明性概念包括但不限于以下内容。
在一个方面中，一种用于从二氧化碳气体和水产生固体碳的方法包括：在反应器中接收二氧化碳和水，该反应器经配置以生成电浆；使用该电浆解离该二氧化碳和该水以形成一或多种解离物质；将该解离物质暴露于电场，该电场经配置以促进一或多种化学反应；经由该化学反应生成固体碳；和自该反应器输出该固体碳。根据各种途径，该方法可另外或替代地包括以下操作/特征中的任何一或多者。在一种途径中，该方法包括自解离二氧化碳和水的一或多种副产物和/或自一或多种化学反应的一或多种副产物中分离固体碳。在另一种途径中，使用电场促进化学反应包括调变由耦合至反应器的控制电路生成的控制信号的频率和/或工作循环。此外，化学反应可包括：第一反应，该第一反应经配置以在单一步骤中自一氧化碳和水生成固体碳；和/或第二反应，其经配置以在两个步骤中自一氧化碳和水生成固体碳。使用电浆生成固体碳涉及使电子碰撞二氧化碳和水，以及视情况其对应的解离物质。较佳地，二氧化碳和水是自耦合至反应器的发电设施接收的流出排气流的组分。更佳地，生成固体碳减少发电设施的碳足迹。固体碳可包括一或多种选自由以下组成的群的材料：碳黑、碳纳米洋葱(CNOs)、颈状CNOs、碳纳米球、石墨、热解石墨、石墨烯、石墨烯纳米粒子、石墨烯微片、富勒烯、杂化富勒烯、单壁纳米管和多壁纳米管。在一些途径中，电浆的特征在于大约100电子伏特(eV)的能量和/或约1吉赫至约5吉赫的范围内的频率。该方法可包括在电浆区和/或反应区内生成电场，例如交流电和/或脉冲直流(DC)场。可使用耦合至反应器、较佳地定位于电浆区的相对侧上的多个电极生成电场。电极的特征可在于大约180度的相位差。电场的特征可在于具有沿反应器的长度的可变强度，例如，归因于沿反应器的长度的各别电极与电浆区之间的不同距离。在实施该方法期间可自反应器中去除氧，以避免与其他物质复合而形成不为期望输出物(例如，固体碳、硫、硅等)的产物。
根据另一方面，一种系统包括波导，该波导包含沿第一波导的长度延伸的电浆区；微波能源，其耦合至该波导；第一流入口，其经配置以使二氧化碳气体流入该电浆区中；及气固分离器系统，其耦合至微波电浆反应器。该微波能源经配置以将微波能传播至该波导中；且该微波能经配置以在该电浆区内生成电浆。该电浆区内的该电浆经配置以将该二氧化碳气体解离成多种组分，包括氧气和固体碳粒子。使用该电浆的解离涉及使电子碰撞二氧化碳和水，以及视情况其对应的解离物质。该气固分离器(GSS)系统经配置以接收该多种组分。另外或替代地，根据本文所呈现的发明性概念的各个方面，该系统可包括以下组分/特征的任何组合或排列。举例而言，该波导较佳亦包括反应区，该反应区经配置以促进一或多种用于将该二氧化碳转化为该多种组分的化学反应。视情况，电磁能源、欧姆加热器件、介电加热器件和/或声子加热器件可耦合至电浆区，其中该电浆区中的等温线是使用欧姆加热器件、介电加热器件、微波能器件和/或声子加热器件来控制。该波导可视情况包括第二流入口，该第二流入口经配置以将二氧化碳输送至该电浆区中；和/或第三流入口，其经配置以将一或多种额外材料输送至该波导的反应区中，其中该一或多种额外材料经配置以将该二氧化碳和/或该多种组分官能化。较佳地，该多种组分包括固体碳。更佳地，将该二氧化碳气体自发电设施的排出排气流提供至该第一流入口。该气固分离器(GSS)可经配置以将气态组分与该固体碳粒子分离，接着输出该固体碳粒子。该系统可另外包括至少一个耦合至气固分离器系统的容器，其中该至少一个容器经配置以接收该固体碳粒子。该系统亦可包括多个耦合至波导的电极，其中该多个电极经配置以协作地生成交流电(AC)场和脉冲直流电(DC)场中的一者或二者。无论使用AC还是DC生成，皆较佳地在电极之间维持大约180度的相位差。该第一流入口可经配置以使该二氧化碳气体在平行于该波导的方向上流入该电浆区中。
根据又一方面，该系统包括多个反应室，诸如上文所述的系统。该多个反应室直接或间接地耦合(例如，并联或串联)至至少一个微波能源、至少一个放大器和至少一个容器。每一反应室皆包括耦合至该微波能源的波导，且每一波导皆独立地包括：电浆区，该电浆区经配置以因应该微波能而生成电浆；至少一个入口，其经配置以将原材料输送至该电浆区中；及出口，其经配置以输出基于该原材料的粉末。较佳地，每一反应室皆包括或是速调管的一部分。该电浆较佳使电子碰撞该(等)反应室内的二氧化碳和水，进而使其解离，且视情况该解离涉及使电子碰撞二氧化碳和/或水的解离物质。应当理解，包括多个反应室的系统可包括上文关于单一反应室所述的组件/特征/能力的任何组合或排列。
根据当前阐述的发明性概念的又一方面，一种物质组成物包括具有自使用电浆和电场解离二氧化碳和水而形成的物理特性的碳质材料。较佳地，该解离是借由碰撞存在于反应室中的化学物质的电子来驱动，该反应室经配置以生成(例如，微波)电浆。
使用至少一种电浆自二氧化碳和水的解离形成的物理特性可包括包含碳质聚集体的碳质材料，该碳质聚集体的特征在于具有约1微米至约1000微米的范围内的长度的主要尺寸。使用至少一种电浆自二氧化碳和水的解离形成的物理特性可另外或可替代地包括碳质材料，该碳质材料包含一或多种选自由以下组成的群的材料：碳黑、碳纳米洋葱(CNOs)、颈状CNOs、碳纳米球、石墨、热解石墨、石墨烯、石墨烯纳米粒子、石墨烯微片、富勒烯、杂化富勒烯、单壁纳米管和多壁纳米管。赋予物理特性的电浆的特征在于约1吉赫至约5吉赫的范围内的频率。根据本发明的各个方面，该电浆可为微波电浆；并且/或者该电场是交流电(AC)场或脉冲直流电(DC)场，但可组合使用AC场和DC场。
应当理解，所述图中所图解说明的组件的布置是例示性的且其他布置是可能的。亦应当理解，由申请专利范围所限定、下文所阐述和各种方块图中图解说明的各种系统组件(及构件)表示根据本文所揭示的标的物配置的一些系统中的逻辑组件。
举例而言，该系统组件(及构件)中的一或多个可借由在所述图中图解说明的布置中图解说明的组件中的至少一些来全部或部分地实现。另外，虽然该组件中的至少一个至少部分地实施为电子硬体组件，且因此构成机器，但其他组件可在软体中实施，当包括在执行环境中时，该软体构成机器、硬体、或软体与硬体的组合。
更具体而言，由申请专利范围限定的至少一个组件至少部分地实施为电子硬体组件，诸如指令执行机器(例如，基于处理器或含处理器的机器)，和/或专用电路或电路系统(例如，经互连以执行专门功能的离散逻辑门)。其他组件可在软体、硬体或软体和硬体的组合中来实施。此外，该其他组件中的一些或全部可组合，一些可完全省略，且可添加额外组件，同时仍达成本文所述的功能。因此，本文所述的标的物可以诸多不同变化形式体现，且所有该变化形式皆涵盖于所主张的范畴内。
在以上描述中，除非另外指明，否则参考由一或多个器件实施的操作的动作和符号表示来阐述标的物。因此，应当理解，有时称为电脑执行的该动作和操作包括处理器对结构化形式的资料的操纵。该操纵转换资料或将其维持在电脑的记忆体系统中的位置，此以本领域技术人员充分理解的方式重新配置或以其他方式改变器件的操作。资料作为具有由资料格式定义的特定属性的资料结构维持在记忆体的物理位置。然而，尽管在前述上下文中阐述了标的物，但此并非意欲加以限制，此乃因本领域技术人员将了解，下文所述的各种动作和操作亦可在硬体中实施。
为便于理解本文所述的标的物，诸多方面是依照动作顺序来阐述。本文对任何动作顺序的描述并非意欲暗示必须遵循为实施该顺序而阐述的特定顺序。除非本文另有指示或上下文另外明显矛盾，否则本文所阐述的所有方法皆可以任何适宜顺序实施。
除非本文另有指示或上下文明显矛盾，否则在阐述标的物的上下文(特别在下文申请专利范围的上下文)中所用的术语「一(a和an)」和「该(the)」和类似指示物皆应解释为涵盖单数和多二者。除非本文另有指示，否则本文所列举的数值范围仅意欲用作个别提及落入该范围内的每一单独值的速记方法，且每一单独值是如同在本文中个别列举一般并入本说明书中。此外，上述描述仅用于说明目的，而并非用于限制目的，此乃因所寻求的保护范畴是由如下文所述的申请专利范围连同其有权享有的任何等效内容来限定。除非另外主张，否则本文所提供的任何和所有实例或例示性语言(例如，「诸如」)的使用仅意欲用于更好地说明标的物且并不对标的物的范畴加以限制。在申请专利范围和书面说明二者中指示导致结果的条件的术语「基于」和其他类似短语的使用不意欲排除导致该结果的任何其他条件。说明书中的任何语言皆不应视为指示任何未主张的要素对如所主张的本发明的实践是必不可少的。
本文所述的方面包括发明者已知用于实施所主张的标的物的一或多种模式。当然，本领域技术人员在阅读上述说明后将明了彼等方面的变化形式。发明者期望本领域技术人员在适当时采用该变化形式，且发明者意欲以不同于本文具体阐述的方式来实践所主张的标的物。因此，该所主张的标的物包括如适用法律所容许的本文随附申请专利范围中所陈述标的物的所有修改和等效形式。此外，除非本文另有指示或上下文明显矛盾，否则涵盖上述要素在其所有可能的变化形式中的任何组合。
Claims (39)
1.一种从二氧化碳气体和水产生固体碳的方法，所述方法包括：
在反应器中接收二氧化碳和水，所述反应器经配置以生成电浆；
使用所述电浆解离所述二氧化碳和所述水以形成一或多种解离物质；
将所述解离物质暴露于电场，所述电场经配置以促进一或多种化学反应；
经由所述化学反应生成固体碳；和
从所述反应器输出所述固体碳。
2.根据权利要求1所述的方法，其包括自解离所述二氧化碳和所述水的一或多种副产物和/或自所述一或多种化学反应的一或多种副产物中分离所述固体碳。
3.根据权利要求1所述的方法，其中使用所述电场促进所述化学反应包括调变由耦合至所述反应器的控制电路生成的控制信号的频率和/或工作循环。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述化学反应包括：
第一反应，经配置以在单一步骤中从一氧化碳和水生成固体碳；和
第二反应，经配置以在两个步骤中从一氧化碳和水生成固体碳。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述二氧化碳和所述水是从耦合至所述反应器的发电设施接收的流出排气流的组分。
6.根据权利要求5所述的方法，其中生成所述固体碳减少所述发电设施的碳足迹。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述电浆的特征在于大约100电子伏特(eV)的能量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述电浆的特征在于约1吉赫至约5吉赫的范围内的频率。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体碳包含选自由以下组成的群的一或多种材料：碳黑、碳纳米洋葱(CNOs)、颈状CNOs、碳纳米球、石墨、热解石墨、石墨烯、石墨烯纳米粒子、石墨烯微片、富勒烯、杂化富勒烯、单壁纳米管和多壁纳米管。
10.根据权利要求1所述的方法，其包括从所述反应器中去除氧。
11.根据权利要求1所述的方法，其包括：使用耦合至所述反应器的多个电极生成所述电场。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个电极中的至少两个的特征在于大约180度的相位差。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述电场的特征在于沿所述反应器的长度的可变强度。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述电场包括交流电(AC)场和/或脉冲直流电(DC)场。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述解离是由碰撞所述二氧化碳和所述水的电子来驱动。
16.一种系统，包括：
波导，所述波导包含沿第一波导的长度延伸的电浆区；
微波能源，所述微波能源耦合至所述波导；
第一流入口，所述第一流入口经配置以使二氧化碳气体流入所述电浆区中；和
气固分离器系统，所述气固分离器系统耦合至微波电浆反应器；
其中所述微波能源经配置以将微波能传播至所述波导中；
其中所述微波能经配置以在所述电浆区内生成电浆；
其中所述电浆区内的所述电浆经配置以将所述二氧化碳气体解离成多种组分；
其中所述多种组分包括：氧气和固体碳粒子；并且
其中所述气固分离器(GSS)系统经配置以接收所述多种组分。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述波导还包括反应区，所述反应区经配置以促进用于将所述二氧化碳转化为所述多种组分的一或多种化学反应。
18.根据权利要求16所述的系统，其包括耦合至所述电浆区的电磁能源、欧姆加热器件、介电加热器件、微波能器件和/或声子加热器件，其中所述电浆区中的等温线是使用所述欧姆加热器件、所述介电加热器件、所述微波能器件和/或所述声子加热器件来控制。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述波导还包括第二流入口，所述第二流入口经配置以将二氧化碳输送至所述电浆区中。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述波导还包括：
第三流入口，所述第三流入口经配置以将一或多种额外材料输送至所述波导的反应区中；
其中所述反应区经配置以促进用于将所述二氧化碳转化为所述固体碳的一或多种化学反应；并且
其中所述一或多种额外材料经配置以将所述二氧化碳和/或所述多种组分官能化。
21.根据权利要求16所述的系统，其中所述多种组分包括固体碳。
22.根据权利要求16所述的系统，其中所述二氧化碳气体从发电设施的排出排气流提供至所述第一流入口。
23.根据权利要求16所述的系统，其中所述气固分离器(GSS)经配置以在输出所述固体碳粒子之前将气态组分与所述固体碳粒子分离。
24.根据权利要求16所述的系统，其包括耦合至所述气固分离器系统的至少一个容器，其中所述至少一个容器经配置以接收所述固体碳粒子。
25.根据权利要求16所述的系统，其包括耦合至所述波导的多个电极，其中所述多个电极经配置以协作地生成交流电(AC)场和脉冲直流电(DC)场中的一者或二者。
26.根据权利要求16所述的系统，其包括耦合至所述波导的多个电极，其中所述多个电极经配置以协作地生成所述电浆区内的电场，并且其中所述电场的特征在于沿所述电浆区的长度的可变强度。
27.根据权利要求16所述的系统，其中所述入口经配置以使所述二氧化碳气体在平行于所述波导的方向上流入所述电浆区中。
28.根据权利要求16所述的系统，其中所述电浆区内的所述电浆经配置以通过使电子碰撞所述二氧化碳气体以将所述二氧化碳气体解离成所述多个组分。
29.一种系统，包括：
多个反应室，其中每一反应室直接或间接地耦合至至少一个微波能源、至少一个放大器和至少一个容器；
其中每一反应室包括耦合至所述微波能源的波导，每一波导独立地包括：
电浆区，所述电浆区经配置以响应所述微波能而生成电浆；
至少一个入口，所述至少一个入口经配置以将原材料输送至所述电浆区中；和
出口，所述出口经配置以输出基于所述原材料的粉末。
30.根据权利要求29所述的系统，其中每一反应室是速调管的一部分。
31.根据权利要求29所述的系统，其中所述电浆经配置以经由电子碰撞化学物质来解离存在于所述电浆区的化学物质。
32.一种物质组成物，包括具有从使用电浆和电场解离二氧化碳和水而形成的物理特性的碳质材料。
33.根据权利要求32所述的物质组成物，其中从使用至少一种电浆解离二氧化碳和水而形成的所述物理特性包括：包含碳质聚集体的碳质材料。
34.根据权利要求33所述的物质组成物，其中所述碳质聚集体的特征在于具有约1微米至约1000微米的范围内的长度的主要尺寸。
35.根据权利要求32所述的物质组成物，其中从使用至少一种电浆解离二氧化碳和水而形成的所述物理特性包括：包含一或多种材料的碳质材料，所述一或多种材料选自由以下组成的群：碳黑、碳纳米洋葱(CNOs)、颈状CNOs、碳纳米球、石墨、热解石墨、石墨烯、石墨烯纳米粒子、石墨烯微片、富勒烯、杂化富勒烯、单壁纳米管和多壁纳米管。
36.根据权利要求32所述的物质组成物，其中所述电浆的特征在于约1吉赫至约5吉赫的范围内的频率。
37.根据权利要求32所述的物质组成物，其中所述电浆包括微波电浆。
38.根据权利要求32所述的物质组成物，其中所述电场包括交流电(AC)场和/或脉冲直流电(DC)场。
39.根据权利要求32所述的物质组成物，其中所述解离是由碰撞所述二氧化碳和所述水的电子来驱动。
Applications Claiming Priority (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US63/234,322 | 2021-08-18 | ||
| US17/889,184 US20230074143A1 (en) | 2021-08-18 | 2022-08-16 | Negative emission, large scale carbon capture for clean fossil fuel power generation |
| US17/889,120 | 2022-08-16 | ||
| US17/889,152 | 2022-08-16 | ||
| US17/889,184 | 2022-08-16 | ||
| PCT/US2022/040645 WO2023023187A1 (en) | 2021-08-18 | 2022-08-17 | Negative emission, large scale carbon capture for clean fossil fuel power generation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118119566A true CN118119566A (zh) | 2024-05-31 |
Family
ID=91217517
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202280070423.3A Pending CN118119566A (zh) | 2021-08-18 | 2022-08-17 | 用于清洁化石燃料发电的负排放、大规模碳捕获 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118119566A (zh) |
-
2022
- 2022-08-17 CN CN202280070423.3A patent/CN118119566A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10781103B2 (en) | Microwave reactor system with gas-solids separation | |
| CN114700008B (zh) | 微波化学处理 | |
| WO2018148043A1 (en) | Microwave chemical processing reactor | |
| US7037484B1 (en) | Plasma reactor for cracking ammonia and hydrogen-rich gases to hydrogen | |
| JP2017523121A (ja) | グラフェンを含む黒鉛生成物のプラズマ合成のための装置および方法 | |
| JP4825846B2 (ja) | カーボンナノチューブ作製装置 | |
| JP2021528346A (ja) | カーボンナノ構造化材料及びカーボンナノ構造化材料の形成方法 | |
| JP2012518263A (ja) | プラズマ反応器 | |
| US20230338916A1 (en) | Negative emission, large scale carbon capture for clean fossil fuel power generation | |
| US20230220562A1 (en) | Negative emission, large scale carbon capture for clean fossil fuel power generation | |
| US20230074143A1 (en) | Negative emission, large scale carbon capture for clean fossil fuel power generation | |
| TW201328773A (zh) | 用於乙醇和有機化合物合成之陰電性離子輔助方法及儀器 | |
| EP2507404B1 (en) | Method and apparatus for depositing nanostructured thin layers with controlled morphology and nanostructure | |
| CN118119566A (zh) | 用于清洁化石燃料发电的负排放、大规模碳捕获 | |
| TWI848348B (zh) | 用於清潔化石燃料發電之負排放、大規模碳捕獲 | |
| US20210053829A1 (en) | Microwave reactor system enclosing a self-igniting plasma | |
| US20240279820A1 (en) | Arc discharge powered reactor for negative emission, large scale carbon capture and clean power generation | |
| US20210162339A1 (en) | High temperature co2 steam and h2 reactions for environmental benefits. | |
| Baharudin | A focused review of process intensification in methane dry reforming to combat coke using plasma | |
| EP4387928A1 (en) | Negative emission, large scale carbon capture for clean fossil fuel power generation | |
| RU2788267C1 (ru) | Способ получения тепловой энергии, извлечения водорода и устройство для его реализации. | |
| TW201229291A (en) | Reactor box chamber cleaning using molecular fluorine | |
| KR102496594B1 (ko) | 수소 및 고체화된 탄소 화합물을 생산하는 방법 및 장치 | |
| KR102520557B1 (ko) | 탄소 포집 방법 및 장치 | |
| Popov et al. | Electric arc plasma pyrolysis of natural gas by a high-voltage AC plasma torch |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |