JP2023531884A - ガス成分分離のためのパターン化電極を有するエレクトロスイング吸着セル - Google Patents
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- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本開示は、パターン化電極を有するシステム及びエレクトロスイング吸着セルに関する。パターン化電極は、複数の電解質領域、複数のガス領域、及び導電性骨格を含む。導電性骨格は複数の電解質領域に広がり、電気活性種を含む。電極、エレクトロスイング吸着セル及びエレクトロスイング吸着セルを含むガス分離システムの製造のための方法もまた記載されている。
Description
関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年６月１１日に出願した米国仮特許出願第６３／０３７，８２９号、及び２０２０年１２月２１日に出願した第６３／１２８，３５８号の優先権を主張し、これら両方の内容はその全体において本明細書に参照により組み込まれている。
本出願は、２０２０年６月１１日に出願した米国仮特許出願第６３／０３７，８２９号、及び２０２０年１２月２１日に出願した第６３／１２８，３５８号の優先権を主張し、これら両方の内容はその全体において本明細書に参照により組み込まれている。
ガス混合物から標的種を除去することは、多くの研究及び開発の主題となっている。例えば、二酸化炭素放出を抑制することにより地球温暖化を緩和するための努力がなされている。この目的を達成するために、その生成の異なる段階において二酸化炭素を捕獲するための、従来の熱的方法を含むいくつかの手法が探究されてきた。標的ガス除去の他の潜在的用途には、空気又は換気された空気から標的ガスを直接除去することが含まれる。
エレクトロスイング吸着（ＥＳＡ）は、ガス混合物から標的ガスを捕獲する代替法である。ＥＳＡは標的種をガス流から除去するための有効なプロセスではあるが、このプロセスの効率及び生産性は、ガス種がソーベント電極へと拡散できるスピードにより限定され得る。言い換えると、ガス種の電極への拡散時定数がＥＳＡ法における制限因子となり得る。
Ｙｉｎｇ Ｈｏｕ ａｎｄ Ｒｕｔｈ Ｅ． Ｂａｌｔｕｓ、Ｉｎｄ， Ｅｎｇ， Ｃｈｅｍ， Ｒｅｓ． ２００７ 第４６巻、第２４号８１６６～８１７５ページ、「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙ ｏｆ ＣＯ２ ｉｎ ｒｏｏｍ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｏｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｔｈｉｎ－ｌｉｑｕｉｄ－ｆｉｌｍ ｍｅｔｈｏｄ」
Ｊａｖｉｄ Ｓａｆａｒｏｖ、Ｒｅｎａ Ｈａｍｉｄｏｖａ、Ｍａｒｔｉｎ Ｓｔｅｐｈａｎ、Ｎｏｒｂｅｒｔ Ｓｃｈｍｏｔｚ、Ｉｓｍａｉｌ Ｋｕｌ、Ａｓｔａｎ Ｓｈａｈｖｅｒｄｉｙｅｖ、ａｎｄ Ｅｇｏｎ Ｈａｓｓｅｌ、Ｊ Ｃｈｅｍ Ｔｈｅｒｍ ２０１３第６７巻１８１～１８９ページ、「Ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ ｉｎ １－ｂｕｔｙｌ－３－ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ－ｂｉｓ（ｔｒｉｆｌｕｏｒｍｅｔｈｙｌｓｕｌｆｏｎｙｌ）ｉｍｉｄｅ ｏｖｅｒ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ」
したがって、ガス成分分離のための改善されたシステム及びエレクトロスイング吸着セルに対する必要性が当技術分野において依然として存在する。上に記載された既存の技術の技術的制限に対処するためにパターン化電極を有するエレクトロスイング吸着セルを提供することが特に有利である。
エレクトロスイング吸着セルのためのパターン化電極であって、複数の電解質領域、複数のガス領域、及び導電性骨格を含み、導電性骨格が複数の電解質領域に広がり、電気活性種が還元状態にある場合標的ガスと結合することが可能であり、電気活性種が酸化状態にある場合標的ガスを放出することが可能である電気活性種を含む、パターン化電極が本明細書に提供されている。
パターン化電極、補助電気活性複合層を含む第２の電極、及びパターン化電極と第２の電極との間のセパレータを含むエレクトロスイング吸着セルもまた提供される。
エレクトロスイング吸着セルを製造する方法は、複合材料をセパレータ上に堆積させる工程であって、複合材料が電解質及び電気活性種をコーティングした導電性骨格を含む工程、並びに複数の電解質領域及び複数のガス領域を含む、パターン化電極を形成する工程であって、パターン化電極を形成することが、機械加工、リソグラフィー、エッチング、セルフアセンブリー、ポロゲンの除去又はこれらの組合せによるものである工程を含む。
エレクトロスイング吸着セルを製造する方法は、複合材料をセパレータ上に堆積させる工程であって、複合材料が電解質及び電気活性種をコーティングした導電性骨格を含む工程、複数の電解質領域及び複数のガス領域を含む、パターン化した第１の電極を形成する工程、並びにガス流れ場及び第２の電極をパターン化した第１の電極に結合して、エレクトロスイング吸着セルを得る工程を含む。
エレクトロスイング吸着セルを製造する方法は、電解質及び第１の電気活性種をコーティングした導電性骨格を含む複合層を提供する工程、ガスを充填した細孔を含む第２の導電性骨格を提供する工程、複合層を第２の複合層でプリーツ加工して、パターン化した第１の電極を得る工程、並びにガス流れ場及び第２の電極をパターン化した第１の電極に結合して、エレクトロスイング吸着セルを得る工程を含む。
ガス分離システムは、ガス導入口及びガス排出口に流体連通している複数のエレクトロスイング吸着セルを含み、複数のエレクトロスイング吸着セルのそれぞれは本開示によるものである。
上記に記載されている特徴及び他の特徴は以下の図及び詳細な説明により例示される。
ガス成分の分離のためのパターン化電極を有するシステム及びエレクトロスイング吸着セルが本明細書において記載されている。エレクトロスイング吸着（ＥＳＡ）プロセスを用いるシステムは、いくつかの技術の潜在的な利点を有する。ＥＳＡシステムは、二酸化炭素又は他のルイス酸を空気から除去し、それを異なる位置（例えば、温室）に堆積することができる。ＥＳＡは、第１の電位（例えば、カソード電位）の電気活性種（下記で「Ｐ」として示される）への適用を含み、電気活性種Ｐの還元をもたらす。還元された電気活性種Ｐ－は、隣接する電解質溶液中に溶解されたルイス酸ガスＧと結合することができる。カチオン（下記で「Ｃ＋」として示される）は、隣接する電解質溶液から組み込まれて、電気活性種Ｐの電荷のバランスをとる。
ＥＳＡプロセスは、第２の電位（例えば、第１の電位がカソード電位である場合にアノード電位）の適用で反転させることができる。電気活性種Ｐと電解質との間の界面接触面積は、多孔質の高表面積の電子工学的に導電性の骨格（例えば、炭素繊維紙、カーボンナノチューブコーティング炭素繊維）上に電気活性種をコーティングすることによって大きくすることができる。ＥＳＡ器具の適用の例及びそれを調製する方法は、米国特許第１０，４６４，０１８号に記載されており、これの全開示は、すべての目的のためにそれ全体で本明細書において本明細書によって参照により組み込まれる。
電子工学的に導電性の骨格の細孔は、電解質で充填され得る。ＥＳＡセルにおいてガス領域から電解質を介して電気活性種Ｐの活性部位に拡散するためにルイス酸ガスＧがたどる通り道の拡散長ＬＤは、ルイス酸ガスＧの拡散時定数に影響し得る。加えて、長さＬＩは、ＥＳＡセルにおいてセパレータから電気活性種Ｐの活性部位にカチオンＣ＋が泳動する距離である。高いＬＤ値は、Ｇの拡散率を制限し、それによって、装置の捕捉率を制限し得る。その上、高いＬＩ値は、ＥＳＡセルにおいて内部抵抗を増加させ得る。
電子工学的に導電性の骨格において電解質充填領域のみを含むＥＳＡ構成において、ＬＤ及びＬＩは、両方とも、電極材料の厚さに等しい。
エレクトロスイング吸着セルの単位面積当たりの電気活性種Ｐの量は、電極材料の厚さに比例する。本発明者らは、予想外にも、ガス充填領域を電極に組み込むことによって（例えば、パターン化電極を形成することによって）、ガス充填領域は、気流場を超えて電極材料中に広がることができることを見出した。言い換えると、ＬＤは、気流場と電極との間の界面からよりはむしろ、電極内のポイントから測定することができる（例えば、ガス充填領域間の距離）。ガスの拡散性は、ガスが液体電解質中に溶解されている場合よりも気相を介するほうが高い。そのため、ルイス酸ガスＧは、電気活性種Ｐの活性部位への途上で気相を介して可能な限り多く移動することが有利である。電極材料中へのガス充填領域の組み込みは、したがって、ＬＤの値を有効に低減することができる。ＬＩを維持又はおそらく増加させながら、ＬＤを低減することができる形状が、そのために望ましい。ＬＤを低減することは、エレクトロスイング吸着セルの単位面積当たりの電気活性種Ｐの量を増加又は維持しながら、ルイス酸ガスＧの拡散時定数を低減することができる。言い換えると、ガス種が泳動する電極の物理的構造を修飾することは、電極中へのガス種の拡散時定数を低減することができる。拡散時定数の低減は、ＥＳＡシステムの性能を改善することができる。電極の物理的構造を修飾することは、エレクトロスイング吸着セルの単位面積当たりの電気活性種Ｐの量を増加させることもできる。単位面積当たりの電気活性種Ｐのより高い量は、こうしたエレクトロスイング吸着セルを実践するコストを低減することができる。
したがって、本開示の一態様は、複数の電解質領域、複数のガス領域、及び導電性骨格を含む第１の電極を含むエレクトロスイング吸着セルであり、導電性骨格は、複数の電解質領域中へ広がり、電気活性種を含む。本開示のエレクトロスイング吸着セルは、本明細書において、「エレクトロケミカルスイング吸着セル」又は「電気化学セル」又は「セル」とも称され得る。複数の電解質領域、複数のガス領域、及び導電性骨格を含む第１の電極は、簡略にするため、「パターン化された第１の電極」とも称され得る。「パターン化された」という用語は、本明細書で使用される場合、電極のガス領域の規則的又は不規則的構成を指すことができる。ガス領域は、秩序化された、予測可能な、若しくは規則的な構成で提供することができるか、又は不規則な、ランダムの、若しくは予測不可能な構成で提供することができる。パターンが不規則なパターンである場合、第１の電極は、「不均質な」とも称されることがあり、ここで、ガス領域は、電極の全体にわたって予測不可能に分散され、任意の適当なサイズ及び形状を有することができる。ガス領域の配列及び形状、並びにしたがって、第１の電極の「パターン」は、本明細書において更に記載されている。
エレクトロスイング吸着セルは、補助電気活性複合層を含む第２の電極；及びパターン化された第１の電極と第２の電極との間にセパレータを更に含むこともできる。
パターン化された第１の電極は、導電性骨格及び電気活性種を含む。導電性骨格は、炭素質材料又は金属を含むことができる。一態様では、導電性骨格は、炭素質材料を含む。例証的な炭素質材料としては、以下に限定されないが、炭素紙（処理されている、ＰＴＦＥ処理されている、又は処理されていない）、炭素布、不織布炭素マット、カーボンブラック、炭素繊維、カーボンナノチューブ（多重壁及び単一壁のカーボンナノチューブを含む）、不織布カーボンナノチューブマット、片状黒鉛、グラフェン等（例えば、他のナノ構造体化炭素材料）、又はその組合せが挙げられ得る。
一態様では、導電性骨格は、繊維状材料、例えば繊維状炭素質材料を含むことができる。存在する場合、繊維は、織布材料中のように、秩序化された配列を有することができる（例えば、導電性骨格は、ｘ軸、ｙ軸、又はｚ軸に沿って互いに平行に配列される繊維を含み、秩序化ネットワークを形成することができる）。一態様では、導電性骨格の繊維は、ランダム構成におけるパターン化された第１の電極の全体にわたって分散させることができる。一態様では、導電性骨格は、パターン化電極の一部の部分において秩序化配列を、及びパターン化電極の他の部分においてランダム構成を有することができる。
一態様では、導電性骨格は、０．１～２０μｍの平均直径を有する炭素繊維を含むことができる。この範囲内で、平均直径は少なくとも０．１μｍ、少なくとも０．２μｍ、少なくとも０．３μｍ、少なくとも０．４μｍ、少なくとも０．５μｍ、少なくとも０．６μｍ、少なくとも０．７μｍ、少なくとも０．８μｍ、少なくとも０．９μｍ、少なくとも１μｍ、少なくとも２μｍ、少なくとも３μｍ、少なくとも４μｍ、少なくとも５μｍ、少なくとも６μｍ、少なくとも７μｍ、少なくとも８μｍ、少なくとも９μｍ、少なくとも１０μｍ、少なくとも１１μｍ、少なくとも１２μｍ、少なくとも１３μｍ、少なくとも１４μｍ、少なくとも１５μｍ、少なくとも１６μｍ、少なくとも１７μｍ、少なくとも１８μｍ、又は少なくとも１９μｍであることができる。またこの範囲内で、平均直径は、２０μｍ以下、１９μｍ以下、１９μｍ以下、１８μｍ以下、１７μｍ以下、１６μｍ以下、１５μｍ以下、１４μｍ以下、１３μｍ以下、１２μｍ以下、１１μｍ以下、１０μｍ以下、９μｍ以下、８μｍ以下、７μｍ以下、６μｍ以下、５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下、２μｍ以下、１μｍ以下、０．９μｍ以下、０．８μｍ以下、０．７μｍ以下、０．６μｍ以下、０．５μｍ以下、０．４μｍ以下、０．３μｍ以下、又は０．２μｍ以下であることができる。炭素繊維に対して上記に参照された平均直径の組合せもまた可能である。
一態様では、導電性骨格は、０．４～４０ｎｍの平均直径を有するカーボンナノチューブを含むことができる。この範囲内で、カーボンナノチューブは、少なくとも０．４ｎｍ、少なくとも０．５ｎｍ、少なくとも０．６ｎｍ、少なくとも０．７ｎｍ、少なくとも０．８ｎｍ、少なくとも０．９ｎｍ、少なくとも１ｎｍ、少なくとも２ｎｍ、少なくとも３ｎｍ、少なくとも４ｎｍ、少なくとも５ｎｍ、少なくとも６ｎｍ、少なくとも７ｎｍ、少なくとも８ｎｍ、少なくとも９ｎｍ、少なくとも１０ｎｍ、少なくとも１５ｎｍ、少なくとも２０ｎｍ、少なくとも２５ｎｍ、少なくとも３０ｎｍ、又は少なくとも３５ｎｍの平均直径を有することができる。またこの範囲内で、カーボンナノチューブは、４０ｎｍ以下、３５ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、２５ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、１５ｎｍ以下、１０ｎｍ以下、９ｎｍ以下、８ｎｍ以下、７ｎｍ以下、６ｎｍ以下、５ｎｍ以下、４ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２ｎｍ以下、１ｎｍ以下、０．９ｎｍ以下、０．８ｎｍ以下、０．７ｎｍ以下、０．６ｎｍ以下、又は０．５ｎｍ以下の平均直径を有することができる。カーボンナノチューブに対して上記に参照された平均直径の組合せもまた可能である。
一態様では、導電性骨格は１μｍ～１ｍｍの平均長を有するカーボンナノチューブを含むことができる。この範囲内で、カーボンナノチューブは、少なくとも１μｍ、少なくとも２μｍ、少なくとも３μｍ、少なくとも４μｍ、少なくとも５μｍ、少なくとも６μｍ、少なくとも７μｍ、少なくとも８μｍ、少なくとも９μｍ、少なくとも１０μｍ、少なくとも２０μｍ、少なくとも３０μｍ、少なくとも４０μｍ、少なくとも５０μｍ、少なくとも６０μｍ、少なくとも７０μｍ、少なくとも８０μｍ、少なくとも９０μｍ、少なくとも１００μｍ、少なくとも２００μｍ、少なくとも３００μｍ、少なくとも４００μｍ、少なくとも５００μｍ、少なくとも６００μｍ、少なくとも７００μｍ、少なくとも８００μｍ、少なくとも９００μｍ、又は少なくとも１ｍｍの平均長を有することができる。またこの範囲内で、カーボンナノチューブは、１ｍｍ以下、９００μｍ以下、８００μｍ以下、７００μｍ以下、６００μｍ以下、５００μｍ以下、４００μｍ以下、３００μｍ以下、２００μｍ以下、１００μｍ以下、９０μｍ以下、８０μｍ以下、７０μｍ以下、６０μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下、９μｍ以下、８μｍ以下、７μｍ以下、６μｍ以下、又は５μｍ以下の平均長を有することができる。カーボンナノチューブに対して上記に参照された平均長の組合せもまた可能である。
一態様では、導電性骨格は、１００～２００ｎｍの平均直径を有する気相成長炭素繊維を含むことができる。この範囲内で、気相成長炭素繊維は、少なくとも１００ｎｍ、少なくとも１１０ｎｍ、少なくとも１２０ｎｍ、少なくとも１３０ｎｍ、少なくとも１４０ｎｍ、少なくとも１５０ｎｍ、少なくとも１６０ｎｍ、少なくとも１７０ｎｍ、少なくとも１８０ｎｍ、又は少なくとも１９０ｎｍの平均直径を有することができる。またこの範囲内で、気相成長炭素繊維は、２００ｎｍ以下、１９０ｎｍ以下、１８０ｎｍ以下、１７０ｎｍ以下、１６０ｎｍ以下、１５０ｎｍ以下、１４０ｎｍ以下、１３０ｎｍ以下、１２０ｎｍ以下、又は１１０ｎｍ以下の平均直径を有することができる。気相成長炭素繊維に対して上記に参照された平均直径の組合せもまた可能である。
一態様では、導電性骨格のカーボンナノチューブは、１５ｎｍ～５０ｎｍの平均直径を有する多層ナノチューブである。この範囲内で、多層ナノチューブは、少なくとも１５ｎｍ、少なくとも２０ｎｍ、少なくとも２５ｎｍ、少なくとも３０ｎｍ、少なくとも３５ｎｍ、少なくとも４０ｎｍ、又は少なくとも４５ｎｍの平均直径を有することができる。またこの範囲内で、多層ナノチューブは、５０ｎｍ以下、４５ｎｍ以下、４０ｎｍ以下、３５ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、２５ｎｍ、又は２０ｎｍ以下の平均直径を有することができる。多層ナノチューブに対して上記に参照された平均直径の組合せもまた可能である。
一態様では、導電性骨格は導電性カーボンブラックを含むことができる。適切な材料の例として、Ｎｏｕｒｙｏｎ社から市販のＫｅｔｊｅｎブラック製品、Ｉｍｅｒｙｓ社から市販のＳｕｐｅｒ Ｐ（商標）、又はＣａｂｏｔ社から市販のＬＩＴＸ（商標）製品が挙げられる。
一態様では、導電性骨格は金属又は合金を含むことができ、金属又は合金として、これらに限定されないが、鉄、ニッケル、アルミニウム、チタニウム、亜鉛、マグネシウム、銅、その合金、又はこれらの組合せを挙げることができる。
一態様では、導電性骨格は金属ナノワイヤーを含むことができる。例示的な金属ナノワイヤーとして、これに限定されないが、銀ナノワイヤーを挙げることができる。
一態様では、導電性骨格は、構造骨格及び導電性ポリマーを含む複合材料であることができ、例えば、導電性ポリマーは構造骨格の少なくとも一部分上に配置される。構造骨格は、例えば、セルロースナノファイバーを含むことができる。セルロースナノファイバーは繊維表面に様々な官能基、例えばヒドロキシル基、カルボキシル基、（２，２，６，６－テトラメチルピペリジン－１－イル）オキシル（ＴＥＭＰＯ）基、又はこれらの組合せを任意選択で含むことができる。適切な導電性ポリマーの例として、これらに限定されないが、ポリ（チオフェン）、ポリ（アルキルチオフェン）、ポリ（３，４－ジアルコキシチオフェン）、ポリ（ピロール）、ポリ（アニリン）など、又はこれらの組合せを挙げることができる。一態様では、導電性ポリマーは、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）とポリ（スチレンスルホネート）ナトリウム塩（ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ）のブレンドを含むことができる。存在する場合、上述の導電性ポリマーは、ドープして（例えば、化学的酸化又は還元）、所望の導電率を得ることができることを理解されたい。導電性ポリマーをドーピングするのに適したドーパント及び方法は、当業者により容易に決定することができる。
一態様では、導電性骨格は、前述のもののいずれかの混合物を含むことができる。例えば、導電性骨格は、カーボンナノチューブ、導電性カーボンブラック、金属ナノワイヤー、又は構造骨格及び導電性ポリマーを含む複合体のうちの少なくとも２種の混合物を含むことができる。
導電性骨格は、任意の適切な導電率、例えば、電子導電率１×１０－３～１×１０４Ｓ／ｃｍ、又は１×１０－２～１×１０３Ｓ／ｃｍを有してもよい。導電率は、ＡＳＴＭＢ－１９３「導電性材料の抵抗率の標準試験方法（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）」に従い２０℃で決定することができる。
電気活性種は導電性骨格上に配置することができる。電気活性種は、導電性骨格の表面の少なくとも一部分上に配置することができる。一態様では、導電性骨格は電気活性種を含浸させることができる。一態様では、１つ又は複数の介在層を導電性骨格の表面と電気活性種との間に配置することができる。一態様では、いかなる介在層も存在せず、電気活性種は、導電性骨格の表面に直接配置することもできる。電気活性種は、導電性骨格の表面に単層（例えば、分子又はオリゴマー又はポリマーの単層）を形成することができる。代わりに、電気活性種は、例えば、０．５～１００ナノメートルの厚さを有する、導電性骨格の表面に配置される層を形成することができる。この範囲内で、電気活性種の層の厚さは少なくとも１ナノメートル又は少なくとも５ナノメートル又は少なくとも１０ナノメートルであることができる。またこの範囲内で、電気活性種の層の厚さは、最大９０ナノメートル、又は最大８０ナノメートル、又は最大７０ナノメートル、又は最大６０ナノメートル、又は最大５０ナノメートル、又は最大４０ナノメートル、又は最大３０ナノメートル又は最大２０ナノメートル、又は最大１０ナノメートルであることができる。
電気活性種は、電気活性種が導電性骨格から離れて又は解離して自由に拡散することができないように、導電性骨格上に固定化されるものと言及されてもよい。電気活性種は、導電性骨格上に様々な方式で固定化することができる。例えば、電気活性種は、導電性骨格の表面に結合することにより（例えば、共有結合、イオン結合、又は分子内の相互作用、例えば、静電気力、ファンデルワールス力、水素結合、又はこれらの組合せを介して）、導電性骨格上に固定化され得る。一態様では、電気活性種は、導電性骨格の表面に吸着されることによって、導電性骨格上に固定化され得る。一態様では、電気活性種は導電性骨格上に固定化され得る。電気活性種を固定化することは、これらに限定されないが、導電性骨格の表面に電気活性種をグラフト又は重合化することを含むことができる。「グラフト」とは、本明細書で使用される場合、電気活性種と導電性骨格との間で共有結合を生成する化学的又は電気化学的プロセスを指す。一態様では、電気活性種は、組成物、例えば、導電性骨格に塗布された又は堆積されたコーティング又は複合層に含められることによって、導電性骨格上に固定化することができる。電気活性種を固定化することはまた、電気めっき、プラズマ蒸着、真空浸潤法、溶融コーティング、又は前述のもののいずれかの組合せも含むことができる。
本明細書で使用される場合、「電気活性種」とは、エレクトロスイング吸着セルにおいて電位への曝露により酸化又は還元が生じる薬剤（例えば、化学的構成体）を指す。複合体の電気活性種は、電気活性種が特定の酸化状態、例えば、還元状態にある場合、標的ガスと結合又は標的ガスに結合することが可能であり、電気活性種が第２の酸化状態、例えば、酸化状態にある場合標的ガスを放出する。非限定的例として、一態様では、電気活性種は対応する還元状態へと還元することができ、これによって、標的ガスに結合して、複合体又は付加体を形成する。電気活性種のその後の酸化は標的ガスを放出することができる。特に、非限定的例として、電気活性種がベンゾキノンである場合、中性ベンゾキノンは酸化状態と考えられ、セミキノン（例えば、１個の電子の中性ベンゾキノンへの添加による生成物）は第１の還元状態と考えられ、ベンゾキノンジアニオン（１個の電子のセミキノンへの添加による生成物）は第２の還元状態と考えられる。
複合体の電気活性種は、少なくとも１つの酸化状態において、電気活性種が標的ガスに対して強い親和性を有することができるように選択することができる。一態様では、少なくとも１つの酸化状態において、電気活性種は、室温で（例えば２３℃）、標的ガスと少なくとも１０１リットル／モル（Ｍ－１）、又は少なくとも１０２Ｍ－１、又は少なくとも１０３Ｍ－１の結合定数を有することができる。この範囲内で、電気活性種は、標的ガスと１０１～１０２０Ｍ－１、１０３～１０１９Ｍ－１、１０４～１０１８Ｍ－１、１０５～１０１７Ｍ－１、１０６～１０１６Ｍ－１、又は１０７～１０１５Ｍ－１の結合定数を有することができる。一態様では、標的ガスとの結合定数は１０５～１０２０Ｍ－１、又は１０１０～１０１５Ｍ－１である。一態様では、標的ガスは二酸化炭素（ＣＯ２）であることができ、電気活性種（還元状態）は、ＣＯ２と１０１～１０１５の結合定数を有することができる。一態様では、標的ガスは二酸化硫黄（ＳＯ２）であることができ、電気活性種（還元状態）はＳＯ２と１０５～１０２０の結合定数を有することができる。
一態様では、電気活性種は少なくとも２つの酸化状態を有することができる。電気活性種が第１の酸化状態にある場合、「活性のある状態」にあると考えることができ、この活性のある状態では標的ガスに対する親和性は高くなり得る（例えば、「活性のある状態」の電気活性種は、標的ガスと上で定義されたような結合定数を有することができる）。第２の酸化状態では、電気活性種は、「失活した」状態にあると考えることができ、この失活した状態では、標的ガスに対する親和性は、「活性のある」状態の標的ガスに対する親和性と比べて減少している。例えば、電気活性種は、失活した状態の結合定数の、活性のある状態の結合定数に対する比、０．９：１～１０－２０：１、例えば、０．９：１、０．８：１、０．５：１、０．１：１、１０－２：１、１０－３：１、１０－４：１、又は１０－５：１～１０－２０：１を有することができる。一態様では、失活した状態での標的ガスとの結合定数は０であることができる、即ち、失活した状態は標的ガス種に対して本質的に不活性である。
電気活性種は、標的ガスが電気活性種から放出され得る少なくとも１つの酸化状態を有することができる。例えば、一態様では、電気活性種は、少なくとも１つの酸化状態を有することができ、この状態では、酸化状態への酸化により、標的ガスは電気活性種から放出され得る。一態様では、還元された電気活性種の結合定数は、対応する酸化された電気活性種の結合定数より大きくなり得る。したがって、有利な特徴では、標的ガスの捕獲及び放出はレドックスサイクリングを介して達成することができる。
電気活性種は、数分程度、数秒程度、数ミリ秒程度、又は数ミクロ秒程度又はこれより低い時間の尺度で、標的ガスを結合することが可能となり得る。
一態様では、電気活性種は、電気活性種は標的ガスとの結合が可能である少なくとも１つの酸化状態（例えば、還元状態）を有することができるが、この場合、電気活性種が酸素（Ｏ２）と反応するのに熱力学的に好ましくない、少なくとも１つの温度（例えば、２２３Ｋ超又はこれに等しい、２４８Ｋ超又はこれに等しい、２７３Ｋ超又はこれに等しい、又は２９８Ｋ超又はこれに等しい範囲、及び３２３Ｋまで、３４８Ｋまで、又は４１３Ｋまで、例えば２９８Ｋ）が存在する。一態様では、電気活性種は、電気活性種が標的ガスと結合可能である還元状態を有することができるが、この場合、電気活性種が酸素（Ｏ２）と反応するのに動力学的に好ましくない少なくとも１つの温度（例えば、２９８Ｋ）が存在する。これは、酸素との反応に対する速度、例えば、速度定数が、標的ガスの捕獲と釣り合った時間尺度で反応を生じるには遅すぎるためである。したがって、複合体の電気活性種は、標的ガスの捕獲に対して適切な特異性を効果的に提供する。
複合体の電気活性種は、電気活性有機化合物、電気活性ポリマー、電気活性オリゴマー、又はこれらの組合せを含むことができる。電気活性種は、標的ガス、例えば、カルボニル基に結合可能な少なくとも１つの官能基を含むことができる。
例示的な電気活性有機化合物として、これらに限定されないが、置換若しくは非置換のキノン又はテトロンを挙げることができる。一態様では、電気活性種は、置換又は非置換のキノン（例えば、キノンは１つ若しくは複数の官能基又は他の部分又はキノンと結合している連結を含むことができる）を含む。置換されるキノン上での置換基（例えば、官能基）の選択は、これらに限定されないが、置換されるキノンの還元の可能性に対するその作用を含む様々な要因に依存し得る。当業者は、本開示のメリットと共に、置換されるキノンのどの置換基又は置換基の組合せが第１の電気活性種に対して適切であるか、例えば、合成の実現可能性及び結果として得られる還元の可能性に基づき決定する方法を理解している。例示的な官能基として、これらに限定されないが、ハロ（例えば、クロロ、ブロモ、ヨード）、ヒドロキシル、カルボキシレート／カルボン酸、スルホネート／スルホン酸、アルキルスルホネート／アルキルスルホン酸（例えば、Ｃ１～１８アルキルスルホネート）、ホスホネート／ホスホン酸、アルキルホスホネート／アルキルホスホン酸（例えば、Ｃ１～１８アルキルホスホネート）、アシル（例えば、アセチル又はエチルエステル）、アミノ、アミド、第四級アンモニウム（例えば、テトラアルキルアミノ）、分枝又は非分枝のアルキル（例えば、Ｃ１～１８アルキル）、ヘテロアルキル、アルコキシ、グリコキシ、ポリアルキレングリコキシ（例えば、ポリエチレングリコキシ）、イミノ、ポリイミノ、分枝又は非分枝のアルケニル（例えば、Ｃ２～１８アルケニル）、分枝又は非分枝の、Ｃ２～１８アルキニル、Ｃ６～３０アリール、Ｃ４～２０ヘテロアリール、ヘテロシクリル、ニトロ、ニトリル、チイル、又はカルボニル基を挙げることができ、これらのいずれも置換又は非置換であることができる。任意の適切な有機又は無機対イオンが、前述の帯電した種、例えばアルカリ金属、アルカリ土類金属、アンモニウム、又は式Ｒ４Ｎ＋の置換アンモニウム（式中、各Ｒは同じ又は異なり、独立して、Ｃ１～１８ヒドロカルビルであるが、ただし、少なくとも１つのＲはヒドロカルビルであるものとする）に存在し得る。
一態様では、電気活性種は構造（Ｉ）又は（ＩＩ）の置換又は非置換のキノンを含む：
（式中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及びＲ４は、存在する各々において独立して、水素、ハロゲン（例えば、クロロ、ブロモ、ヨード）、ヒドロキシル、カルボキシレート／カルボン酸、スルホネート／スルホン酸、アルキルスルホネート／アルキルスルホン酸（例えば、Ｃ１～１８アルキルスルホネート）、ホスホネート／ホスホン酸、アルキルホスホネート／アルキルホスホン酸（例えば、Ｃ１～１８アルキルホスホネート）、アシル（例えば、アセチル又はエチルエステル）、アミノ、アミド、第四級アンモニウム（例えば、テトラアルキルアミノ）、分枝若しくは非分枝のＣ１～１８アルキル、Ｃ１～１８ヘテロアルキル、Ｃ１～１８アルコキシ、グリコキシ、ポリアルキレングリコキシ（例えば、ポリエチレングリコキシ）、イミノ、ポリイミノ、分枝若しくは非分枝のアルケニル、分枝若しくは非分枝のＣ２～１８アルキニル、Ｃ６～２０アリール、Ｃ４～２０ヘテロアリール、ヘテロシクリル、ニトロ、ニトリル、チイル、又はカルボニル基であり、これらのいずれも置換又は非置換であることができ、いずれか２つの隣接するＲ１～Ｒ４基は、任意選択で一緒に連結して、環式基を形成することができる）。
一態様では、電気活性有機化合物は、以下に示す方式で還元されて対応する芳香族種を形成することができる偶数のカルボニル基を有する、環式共役系とここで定義されるキノンを含むことができる。
これらは１，４－ベンゾキノン、１，２－ベンゾキノン、ナフトキノン、アントラキノン、フェナントレンキノン、ベンズアントラキノン、ジベンゾアントラキノン、４，５，９，１０－ピレンテトロンの誘導体、又はこれらの組合せを含む。前述のうちのいずれかは、上に記載されているように任意選択で置換されていてもよい。一態様では、電気活性有機化合物は置換又は非置換ナフトキノンである。前述の非限定的な例示的電気活性有機化合物の他の位置異性体もまた使用することができる（例えば、キノンの異なる位置において置換基を有するもの）。
一態様では、電気活性種は電気活性ポリマーを含む。本明細書で使用される場合、「ポリマー」という用語は１０より大きい繰返し単位を有する構造を指す。例えば、電気活性ポリマーは、前述の電気活性有機化合物のいずれかを含む繰返し単位を含むことができる。適切な電気活性ポリマーとして、例えば、置換又は非置換のキノンから誘導される繰返し単位を含むものを挙げることができる。一態様では、電気活性ポリマーの少なくとも一部分は、電気活性有機化合物の少なくとも１つがポリマー骨格に共有結合したポリマー骨格を含む。一態様では、電気活性有機化合物はポリマー骨格の少なくとも一部分を形成することができる。
一態様では、電気活性ポリマーはキノンから誘導される繰返し単位を含み、これらの繰返し単位は上に記載されているように１，４－ベンゾキノン、１，２－ベンゾキノン、ナフトキノン、アントラキノン、フェナントレンキノン、ベンズアントラキノン、ジベンゾアントラキノン、４，５，９，１０－ピレンテトロン、又はこれらの組合せを含むことができる。
一態様では、電気活性ポリマーは、置換又は非置換のポリ（アントラキノン）を含むことができる。一態様では、電気活性ポリマーは置換又は非置換のポリ（ビニルアントラキノン）を含むことができる。一態様では、電気活性ポリマーは置換又は非置換のポリ（フェニルナフトキノン）を含むことができる。
一態様では、電気活性種は電気活性オリゴマーを含む。本明細書で使用される場合、「オリゴマー」という用語は、２～１０の繰返し単位を有する構造を指す。したがって、電気活性オリゴマーは、電気活性ポリマーに対して記載されている任意の構造を有することができるが、ただし、これは１０又はそれ未満の繰返し単位に限定される。例えば、適切な電気活性オリゴマーとして、置換又は非置換のキノン、好ましくは、１，４－ベンゾキノン、１，２－ベンゾキノン、ナフトキノン、アントラキノン、フェナントレンキノン、ベンズアントラキノン、ジベンゾアントラキノン、４，５，９，１０－ピレンテトロン、又はこれらの組合せから誘導される繰返し単位を含むオリゴマーを挙げることができる。一態様では、電気活性オリゴマーはオリゴ（アントラキノン）を含むことができる。一態様では、電気活性オリゴマーはオリゴ（ビニルアントラキノン）を含むことができる。一態様では、電気活性オリゴマーは置換又は非置換のオリゴ（フェニルナフトキノン）を含むことができる。
電気活性種が電気活性ポリマー又は電気活性オリゴマーを含む場合、電気活性ポリマー又は電気活性オリゴマーは任意選択で架橋されていてもよい。架橋は、当技術分野で公知の様々な方法で実行することができる。当業者は、本開示のメリットと共に、電気活性種の選択に基づき、適切な架橋化学反応を決定することができる。
導電性骨格の表面の電気活性種の厚さは、例えば、０．１～２０ナノメートル、又は０．２～１５ナノメートル、又は０．５～１０ナノメートルであることができる。導電性骨格の表面の電気活性種の厚さは、堆積のモードに依存することができる。
電気活性種は、パターン化した第１の電極の電気活性種及び導電性骨格の質量に対して、１０～９０質量パーセントの量で存在することができる。この範囲内で、電気活性種は、第１の電極の電気活性種及び導電性骨格の質量に対して、少なくとも２０質量パーセント、又は少なくとも２５質量パーセント、又は少なくとも３０質量パーセント、又は最小の４０質量パーセント、又は少なくとも５０質量パーセントの量で存在することができる。またこの範囲内で、電気活性種は、最大８０質量パーセント、又は最大７０質量パーセント、又は最大６０質量パーセント、又は最大５０質量パーセント、又は最大４５質量パーセント、又は最大４０質量パーセントの量で存在することができる。例えば、電気活性種は、パターン化した第１の電極の電気活性種及び導電性骨格の質量に対して、１０～７５質量パーセント、又は１０～６０質量パーセント、又は１５～６０質量パーセント、又は２０～５５質量パーセント、又は２５～５５質量パーセント、又は３０～５０質量パーセントの量で存在することができる。
電気活性種及び導電性骨格は、１：１０～１０：１、又は１：５～５：１、又は１：１０～１：１の質量比で存在することができる。
電気活性種は標的ガスに対して反応性がある。標的ガスは求電子性分子である。一態様では、標的ガスはルイス酸ガスである。標的ガスは、電気活性種が還元状態である場合、例えば、その還元状態で電気活性種に結合することによって、複合体の電気活性種と複合体又は付加体を形成することが可能である。標的ガスは、二酸化炭素（ＣＯ２）、硫黄オキシド種、例えば、二酸化硫黄（ＳＯ２）又は硫黄三酸化物（ＳＯ３）、オルガノ硫酸塩（Ｒ２ＳＯ４、式中、各Ｒは、独立して、水素、Ｃ１～１２アルキル、又はＣ６～２０アリールである）、例えば、硫酸ジメチル、窒素酸化物種、例えば、二酸化窒素（ＮＯ２）又は三酸化二窒素（ＮＯ３）、リン酸エステル（Ｒ３ＰＯ４、式中、各Ｒは、独立して、水素、Ｃ１～１２アルキル、又はＣ６～２０アリールである）、例えば、リン酸トリメチル、エステル（ＲＣＯＯＲ’、式中、各Ｒは、独立して、水素、Ｃ１～１２アルキル、又はＣ６～２０アリールであり、各Ｒ’は、独立して、Ｃ１～１２アルキル又はＣ６～２０アリールである）、例えば、ギ酸メチル又はアクリル酸メチル、アルデヒド（ＲＣＨＯ、式中、各Ｒは、独立して、水素、Ｃ１～１２アルキル、又はＣ６～２０アリールである）、例えば、ホルムアルデヒド又はアクロレイン、ケトン（Ｒ２ＣＯ、式中、各Ｒは、独立して、水素、Ｃ１～１２アルキル、又はＣ６～２０アリールである）、例えば、アセトン、イソシアネート（ＲＮＣＯ、式中、各Ｒは、独立して、水素、Ｃ１～１２アルキル、又はＣ６～２０アリールであり、各Ｒ’は、独立して、Ｃ１～１２アルキル又はＣ６～２０アリールである）、例えば、メチルイソシアネート、イソチオシアネート（ＲＮＣＳ、式中、各Ｒは、独立して、水素、Ｃ１～１２アルキル、又はＣ６～２０アリールであり、各Ｒ’は、独立して、Ｃ１～１２アルキル又はＣ６～２０アリールである）、ボラン（ＢＲ３、式中、各Ｒは、独立して、水素、Ｃ１～１２アルキル、又はＣ６～２０アリールである）、例えば、トリメチルボラン、又はボレート（Ｒ３ＢＯ３、式中、各Ｒは、独立して、水素、Ｃ１～１２アルキル、又はＣ６～２０アリールである）、例えば、ホウ酸トリメチルを含むことができる。標的ガスは、前述の標的ガス種のうちのいずれかの組合せを任意選択で含むことができる。
パターン化した第１の電極は、複数のガス領域及び複数の電解質領域（即ち、電解質を含む）を含む。電解質領域は、上記で更に詳細に論じられているように、電解質及び電気活性種が上に配置された導電性骨格の少なくとも一部分を含む。一態様では、電解質として、液体電解質、ゲル電解質、ゲルポリマー電解質（ＧＰＥ）、ポリマーイオン性液体（ＰＩＬ）、室温イオン性液体（ＲＴＩＬ）、イオン性液体、塩及び有機溶媒を含む溶液、又は任意の他の適切な電解質若しくは電解質の組合せを挙げることができる。任意選択で、クロスリンカーが電解質中に存在してもよい。
一態様では、電解質はゲルポリマー電解質（ＧＰＥ）を含む。ＧＰＥは、電解質に対して高い親和性を有するポリマーマトリックスを含み、電解質はポリマーマトリックス中に配置される。電解部分はポリマーマトリックスに共有結合で結合していない。ＧＰＥのマトリックスポリマーは、これらに限定されないが、ポリ（アクレート）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（スチレン）、ポリ（酸化エチレン）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（ウレタン）、ポリ（シロキサン）、ポリ（ビニルピロリドン）、官能化セルロース、又はこれらの組合せを含むことができる。任意選択で、ポリマーは、架橋、例えば、イオン結合、共有結合、又はこれらの組合せを形成することができる官能基を含有することができる。架橋は、電解質と共局在化する架橋した網状組織を形成するのに適した加熱、放射線、又は化学的トリガーにより誘発され得る。
一態様では、電解質はポリマーイオン性液体（ＰＩＬ）を含む。ＰＩＬは、イオン性ポリマーマトリックスを含み、カチオン、アニオン、又はカチオンとアニオンの両方がポリマー骨格に共有結合で結合している。カチオンとアニオンの両方がポリマー骨格に共有結合で結合している場合、ポリマーイオン性液体は双性イオンと呼ぶことができる。ＰＩＬのポリマー骨格は、これらに限定されないが、ポリ（アクリル酸塩）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（スチレン）、ポリ（シロキサン）、ポリ（エチレン）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（酸化エチレン）、ポリ（ビニルピロリドン）、ポリ（Ｎ－アルキルイミダゾリウム）、ポリ（ジアリルジアルキルアンモニウム）、又はこれらの組合せを含むことができる。任意選択で、ポリマーマトリックスは、架橋、例えば、イオン結合、共有結合、又はこれらの組合せを形成することができる官能基を含有し得る。架橋は、電解質と共局在化する架橋した網状組織を形成するのに適した熱、放射線、又は化学的トリガーにより誘発され得る。架橋可能な官能基を保持する繰返し単位は、ポリマーの組成物の５～９５モル％に相当し得る。例示的なポリマーイオン性液体は以下の実施例に更に記載されている。
一部の態様では、クロスリンカーを電解質に加えることができる。クロスリンカーは、ＧＰＥ、ＰＩＬ、又は両方の繰返し単位の補助官能基との化学反応に参加できる官能基を含有する小分子、オリゴマー、又はポリマーを含むことができる。官能基の例として、これらに限定されないが、ビニル、アジド、エポキシ、ヒドロキシ、カルボキシ、アミノ、イソシアナト、アルミニウム塩、又は任意のこれらの組合せを挙げることができる。官能基の架橋反応は、上で論じたように、加熱、放射線又は任意の適切な化学的なトリガーで誘発することができる。
一態様では電解質は、イオン性液体、例えば、室温イオン性液体（ＲＴＩＬ）を含む。イオン性液体は室温で、例えば、２３℃で液体であるため、溶融した塩とも呼ばれ、温度２３℃で、低い揮発性、例えば、１０－５Ｐａｓｃａｌ（Ｐａ）未満、又は１０－１０～１０－５Ｐａの蒸気圧を有することができ、これによって、セパレータが乾燥する危険性を減少させ、蒸発又は吸込による電解質の損失の減少を可能にすることができる。一態様ではイオン性液体は、電解質の実質的にすべて（例えば、少なくとも８０容量パーセント（容量％）、又は少なくとも９０容量％、又は少なくとも９５容量％、又は少なくとも９８容量％、少なくとも９９容量％、又は少なくとも９９．９～９９．９９容量％）を占める。
イオン性液体はアニオン成分及びカチオン成分を含む。イオン性液体のアニオンは、これらに限定されないが、ハロゲン化物、硫酸イオン、スルホン酸イオン、炭酸イオン、炭酸水素イオン、リン酸イオン、硝酸イオン、硝酸イオン、酢酸イオン、ＰＦ６、ＢＦ４、トリフルオロメタンスルホン酸イオン（トリフル酸イオン）、ノナフレート、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）アミド、トリフルオロ酢酸イオン、ヘプタフルオロブタノエート（ｈｅｐｔａｆｌｕｏｒｏｒｏｂｕｔａｎｏａｔｅ）、ハロアルミネート、トリアゾリド、又はアミノ酸誘導体（例えば、窒素が除去された、プロトンを有するプロリン）のうちの１種又は複数を含むことができる。イオン性液体のカチオンとして、これらに限定されないが、イミダゾリウム、ピリジニウム、ピロリジニウム、ホスホニウム、アンモニウム、スルホニウム、チアゾリウム、ピラゾリウム、ピペリジニウム、トリアゾリウム、ピラゾリウム、オキサゾリウム、グアニジウム、アルカリカチオン、又はジアルキルモルホリニウムのうちの１種又は複数を挙げることができる。一態様では、室温イオン性液体はカチオン成分としてイミダゾリウムを含む。一態様では、室温イオン性液体は１－ブチル－３－メチルイミダゾリウム（「ＢＭＩＭ」）をカチオン成分として含む。一態様では、室温イオン性液体はビス（トリフルオロメチル－スルホニル）イミド（「ＴＦＳＩ」）をアニオン成分として含む。一態様では、室温イオン性液体は、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）－イミド（「［ＢＭＩＭ］［ＴＦＳＩ］」）を含む。一態様では、室温イオン性液体は１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（「ＢＦ４」）（「［ＢＭＩＭ］［ＢＦ４］」）を含む。
一態様では、電解質は、非置換若しくは置換のイミダゾリウム、非置換若しくは置換のモルホリニウム、非置換若しくは置換のピリジニウム、非置換若しくは置換のピロリジニウム、非置換若しくは置換のピペリジニウム、非置換若しくは置換のピペラジニウム、非置換若しくは置換のピラジニウム、又はこれらの組合せを含んでもよいイオン性液体を含む。特定の態様では、イオン性液体は、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムビス（フルオロスルホニル）イミド、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムビス（ペンタフルオロスルホニル）イミド、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムジシアナミド、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１－ブチル－３－メチルピリジニウムビス（トリフルオロメチル－スルホニル）イミド、Ｎ－メチル－Ｎ－プロピルピペリジニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、又はこれらの組合せである。
一態様では、イオン性液体電解質は、例えば、イオン性液体による導電性骨格のキャピラリー作用又は湿潤化により、電解質領域内に遊離形態で維持することができる。一態様では、イオン性液体電解質は、架橋されたイオノゲルポリマーマトリックスにより電解質領域内に維持することができる。一態様では、電極のガス領域内の電解質の浸潤は回避され、一態様では、電極のガス領域内の電解質の浸潤は本質的にない。電解質の浸潤のない部分は空のままであり、ガスチャネルとして機能することができる。
一態様では、電解質領域は、電解質領域の総量に対して、１５～８５容量％の電解質を含むことができる。この範囲内で、電解質は、電解質領域内に、各電解質領域の総量に対して、少なくとも１５容量％、少なくとも２０容量％、少なくとも２５容量％、少なくとも３０容量％、少なくとも３５容量％、少なくとも４０容量％、少なくとも４５容量％、少なくとも５０容量％、少なくとも５５容量％、少なくとも６０容量％、少なくとも６５容量％、少なくとも７０容量％、少なくとも７５容量％、又は少なくとも８０容量％の量で存在することができる。またこの範囲内で、電解質は、電解質領域内に、各電解質領域の総量に対して、８５容量％以下、８０容量％以下、７５容量％以下、７０容量％以下、６５容量％以下、６０容量％以下、５５容量％以下、５０容量％以下、４５容量％以下、４０容量％以下、３５容量％以下、３０容量％以下、２５容量％以下、又は２０容量％以下の量で存在することができる。電解質領域内の電解質容量パーセンテージに対して上記で参照された値の組合せもまた可能である。
一態様では、電解質領域は、電極内の電子輸送のための浸透経路を提供するのに十分な体積分率の、上に電気活性種が配置された導電性骨格を含むことができる。一態様では、電解質領域は、電解質領域の総量に対して、５～８５容量％の導電性骨格を含むことができる。この範囲内で、導電性骨格の総量は、電解質領域の総量に対して、少なくとも５容量％、少なくとも１０容量％、少なくとも１５容量％、少なくとも２０容量％、少なくとも２５容量％、少なくとも３０容量％、少なくとも３５容量％、少なくとも４０容量％、少なくとも４５容量％、少なくとも５０容量％、少なくとも５５容量％、又は少なくとも６０容量％であることができる。またこの範囲内で、電解質領域は、電解質領域の総量に対して、６５容量％以下、６０容量％以下、５５容量％以下、５０容量％以下、４５容量％以下、４０容量％以下、３５容量％以下、３０容量％以下、２５容量％以下、２０容量％以下、１５容量％以下、又は１０容量％以下の、上に電気活性種が配置された導電性骨格を含むことができる。電解質領域内の上に電気活性種が配置された導電性骨格の容量パーセンテージに対して上記に参照された値の組合せもまた可能である。
一態様では、電解質領域はある体積分率のガスを含むことができる。例えば、小さな又は疎イオン性細孔はアセンブリープロセス中電解質で完全に満たすことはできず、代わりにガス、例えば、空気又は不活性ガス、例えば、窒素を含有することになる。電解質領域は、電解質領域の総量に対して、０～１５容量％のガスを含むことができる。この範囲内で、電解質領域は、電解質領域の総量に対して、少なくとも０容量％、少なくとも０．１容量％、少なくとも１容量％、少なくとも５容量％、少なくとも６容量％、少なくとも７容量％、少なくとも８容量％、少なくとも９容量％、少なくとも１０容量％、又は少なくとも１５容量％のガスを含むことができる。またこの範囲内で、電解質領域は、電解質領域の総量に対して、１５容量％以下、１０容量％、５容量％以下、１容量％以下、０．５容量％以下、０．２容量％以下、又は０．１容量％以下のガスを含むことができる。電解質領域内のガス容量パーセンテージに対して上記に参照された範囲の組合せもまた可能である。
一態様では、電解質領域は、パターン化電極の総量の少なくとも５０％である容量を有することができる。例えば、電解質領域は、パターン化電極の総量の少なくとも５５％、少なくとも６０％、少なくとも６５％、少なくとも７０％、少なくとも７５％、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、又は少なくとも９９％である容量を有することができる。電解質領域は、パターン化電極の総量の９９％以下、９５％以下、９０％以下、８５％以下、８０％以下、７５％以下、７０％以下、６５％以下、６０％以下、又は５０％以下である容量を有することができる。パターン化電極の総量と比較した、電解質領域の容量パーセンテージに対して上記に参照された値の組合せもまた可能である。
パターン化した第１の電極はガス領域を更に含む。セル内にガス領域を包含することによって、セルの吸着時間定数を減少させることができる。吸着時間定数の減少は、単位面積当たり、時間当たり、セルが吸着することができるガスの量を増加させることができる。一態様では、ガス領域は１種又は複数のガスを含むことができる。一態様では、ガスはＯ２、Ｎ２、ＣＯ２、ＳＯ２、ＮＯ、ＮＯ２、Ｈ２Ｓ、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、又はこれらの組合せを含むことができる。一態様では、ガス領域は、第１の（例えば、カソードの）電位の最初の適用に対して不活性ガスで充填することができる。
一態様では、ガス領域は、導電性骨格材料及び電気活性種を含むことができる。一態様では、ガス領域は電解質を含むことができる。例えば、ガス領域は電解質を、ガス領域の総量に対して、０～２０容量％の量で含むことができる。この範囲内で、ガス領域は、電解質を、それぞれガス領域の総量に対して、少なくとも０容量％、少なくとも０．１容量％、少なくとも０．２容量％、少なくとも０．３容量％、少なくとも０．４容量％、少なくとも０．５容量％、少なくとも０．６容量％、少なくとも０．７容量％、少なくとも０．８容量％、少なくとも０．９容量％、少なくとも１容量％、少なくとも２容量％、少なくとも３容量％、少なくとも４容量％、少なくとも５容量％、少なくとも６容量％、少なくとも７容量％、少なくとも８容量％、少なくとも９容量％、少なくとも１０容量％、少なくとも１１容量％、少なくとも１２容量％、少なくとも１３容量％、少なくとも１４容量％、少なくとも１５容量％、少なくとも１６容量％、少なくとも１７容量％、少なくとも１８容量％、又は少なくとも１９容量％の量で含むことができる。またこの範囲内で、ガス領域は、電解質を、それぞれガス領域の総量に対して、２０容量％以下、１９容量％以下、１８容量％以下、１７容量％以下、１６容量％以下、１５容量％以下、１４容量％以下、１３容量％以下、１２容量％以下、１１容量％以下、１０容量％以下、９容量％以下、８容量％以下、７容量％以下、６容量％以下、５容量％以下、４容量％以下、３容量％以下、２容量％以下、１容量％以下、０．９容量％以下、０．８容量％以下、０．７容量％以下、０．６容量％以下、０．５容量％以下、０．４容量％以下、０．３容量％以下、０．２容量％以下、又は０．１容量％以下の量で含むことができる。ガス領域内の電解質容量に対して上記に参照された範囲の組合せもまた可能である。
一態様では、ガス領域は、任意の適切な形状を有することができ、球状、円柱状、ストライプ状、円錐形状、円錐台形状、不規則な形状、又はこれらの任意の組合せを有することができる。一態様では、ガス領域はパターン化電極の全長に及ぶことができ、存在する場合、以下で更に論じられているように、ガス流れ場とセパレータの両方に物理的に接触させることができる。
ガス領域は複数のガス領域を含むことができる。存在する場合、複数のガス領域はｙ方向に１～１００μｍの平均寸法（例えば、厚さ）（ＷＧ）をそれぞれ有することができる。この範囲内で、ガス領域は、ｙ方向（ＷＧ）に、少なくとも１μｍ、少なくとも２μｍ、少なくとも３μｍ、少なくとも４μｍ、少なくとも５μｍ、少なくとも６μｍ、少なくとも７μｍ、少なくとも８μｍ、少なくとも９μｍ、少なくとも１０μｍ、少なくとも２０μｍ、少なくとも３０μｍ、少なくとも４０μｍ、少なくとも５０μｍ、少なくとも６０μｍ、少なくとも７０μｍ、少なくとも８０μｍ、又は少なくとも９０μｍの平均寸法をそれぞれ有することができる。またこの範囲内で、ガス領域は、ｙ方向（ＷＧ）に、１００μｍ以下、９０μｍ以下、８０μｍ以下、７０μｍ以下、６０μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下、９μｍ以下、８μｍ以下、７μｍ以下、６μｍ以下、５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下、又は２μｍ以下の平均寸法をそれぞれ有することができる。ガス領域に対して上記に参照された平均直径値の組合せもまた可能である。
一態様では、複数のガス領域のガス領域は、平均距離で分離されていてもよい。ガス領域の間の平均距離は、例えば、図３に示されているように、電解質領域内で、ガス領域から電気活性種Ｐの活性部位へと拡散するためにルイス酸ガスＧがたどる経路の拡散長ＬＤを決定することができる。言い換えると、ガス領域は、電解質領域の部分内に散在していてもよい。ガス領域は、隣接するガス領域から、平均距離１μｍ～１ｍｍで分離されていてもよい。この範囲内で、ガス領域は、少なくとも１μｍ、少なくとも２μｍ、少なくとも３μｍ、少なくとも４μｍ、少なくとも５μｍ、少なくとも６μｍ、少なくとも７μｍ、少なくとも８μｍ、少なくとも９μｍ、少なくとも１０μｍ、少なくとも２０μｍ、少なくとも３０μｍ、少なくとも４０μｍ、少なくとも５０μｍ、少なくとも６０μｍ、少なくとも７０μｍ、少なくとも８０μｍ、少なくとも９０μｍ、少なくとも１００μｍ、少なくとも２００μｍ、少なくとも３００μｍ、少なくとも４００μｍ、少なくとも５００μｍ、少なくとも６００μｍ、少なくとも７００μｍ、少なくとも８００μｍ、又は少なくとも９００μｍの平均距離で、隣接するガス領域から分離されていてもよい。またこの範囲内で、ガス領域は、１ｍｍ以下、９００μｍ以下、８００μｍ以下、７００μｍ以下、６００μｍ以下、５００μｍ以下、４００μｍ以下、３００μｍ以下、２００μｍ以下、１００μｍ以下、９０μｍ以下、８０μｍ以下、７０μｍ以下、６０μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下、９μｍ以下、８μｍ以下、７μｍ以下、６μｍ以下、５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下、又は２μｍ以下の平均距離で、隣接するガス領域から分離されていてもよい。ガス領域の間の平均距離に対して上記に参照された範囲の組合せもまた可能である。
一態様では、ガス領域は、パターン化電極の総量の少なくとも０．１％である容量を有することができる。例えば、ガス領域は、パターン化電極の総量の少なくとも０．５％、少なくとも１％、少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも４％、少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも１５％、少なくとも２０％、少なくとも２５％、少なくとも３０％、少なくとも３５％、少なくとも４０％、又は少なくとも５０％である容量を有することができる。一態様では、ガス領域は、パターン化電極の総量の５０％以下、４５％以下、４０％以下、３５％以下、３０％以下、２５％以下、２０％以下、１５％以下、１０％以下、５％以下、４％以下、３％以下、２％以下、１％以下、０．５％以下、又は０．２％以下の容量を有することができる。パターン化電極の総量と比較した、ガス領域の容量パーセンテージに対して上記に参照された値の組合せもまた可能である。
一態様では、ガス領域は、電解質に対して非湿潤性である多孔質材料で、任意選択で充填することもできる。存在する場合、ガス領域内の多孔質材料は、ゼオライトを含むことができる。本明細書で使用される場合、「ゼオライト」という用語は、ＩＡ族及びＩＩＡ族の元素、例えば、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、又はこれらの組合せの結晶性アルミノシリケートを指す。ゼオライトは、酸素イオンの共有により互いに四面体状に結合したＡｌＯ４及びＳｉＯ４の拡張する枠組みを有することができる。枠組みは、微小孔により透過される宿主構造を提供することができるチャネル又は相互接続された空隙を一般的に含み、一部の態様では、これらの空隙はゼオライトの５０容量％まで達することができる。ゼオライトは天然又は合成ゼオライトであることができる。天然ゼオライトはアルミニウムの水和シリケートであり、任意選択でナトリウム又はカルシウムを含み、イオン交換特性、大きな表面積、並びに均質及び有限の多孔度を有する。天然ゼオライトは、例えば、方沸石、菱沸石、単斜輝石、エリオン沸石、フォージャサイト、重土十字沸石、輝沸石、モルデナイト、ナトロライト、灰十字沸石（ｐｈｉｌｉｐｓｉｔｅ）、スコレス沸石、及び束沸石を含むことができる。合成ゼオライトは、Ｔｏｓｏｈ Ａｍｅｒｉｃａ社又はＣＢ Ｍｉｎｅｒａｌｓ社を含むいくつかの製造業者から市販されており、例えば、ゼオライトＡ、ゼオライトＸ、ゼオライトＹ、及びゼオライトＬを含むことができる。合成ゼオライトは極めて多孔質材料であり、他の吸着剤とは対照的に、分子の寸法及び均一サイズの細孔を有する。ゼオライトは、例えば、１～１００マイクロメートル、好ましくは２～５０マイクロメートル、より好ましくは１０～２０マイクロメートルの平均粒径を有することができる。電極に含まれる場合、ゼオライト粒子は、それぞれ第１の電極の総重量に対して、１～７０重量パーセント、又は１０～６０重量パーセント、又は１０～５０重量パーセント、又は２０～６０重量パーセント、又は２０～５０重量パーセントの量で存在することができる。
パターン化した第１の電極は、ＥＳＡセルにおいてカチオンがセパレータから電気活性種Ｐの活性部位に移動する距離ＬＩを効果的に決定する厚さを有することができる。一態様では、第１の電極の厚さは１５～５００マイクロメートルであることができる。この範囲内で、パターン化した第１の電極は、少なくとも１５μｍ、少なくとも２５μｍ、少なくとも５０μｍ、少なくとも１００μｍ、少なくとも１５０μｍ、少なくとも２００μｍ、少なくとも２５０μｍ、少なくとも３００μｍ、少なくとも３５０μｍ、少なくとも４００μｍ、又は少なくとも４５０μｍの厚さを有することができる。またこの範囲内で、一態様では、パターン化電極は、４５０μｍ以下、４００μｍ以下、３５０μｍ以下、３００μｍ以下、２５０μｍ以下、２００μｍ以下、１５０μｍ以下、１００μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、又は３０μｍ以下の厚さを有することができる。パターン化した第１の電極に対する上記に参照された厚さの組合せもまた想定される。
一態様では、ＬＤ／ＬＩは０．００１～１（即ち、０．００１／１～１／１）であることができる。この範囲内で、ＬＤ／ＬＩは、少なくとも０．００１、少なくとも０．００２、少なくとも０．００３、少なくとも０．００４、少なくとも０．００５、少なくとも０．００６、少なくとも０．００７、少なくとも０．００８、少なくとも０．００９、少なくとも０．０１、少なくとも０．０２、少なくとも０．０３、少なくとも０．０４、少なくとも０．０５、少なくとも０．０６、少なくとも０．０７、少なくとも０．０８、少なくとも０．０９、少なくとも０．１、少なくとも０．２、少なくとも０．３、少なくとも０．４、少なくとも０．５、少なくとも０．６、少なくとも０．７、少なくとも０．８、又は少なくとも０．９であることができる。またこの範囲内で、ＬＤ／ＬＩは、１以下、０．９以下、０．８以下、０．７以下、０．６以下、０．５以下、０．４以下、０．３以下、０．２以下、０．１以下、０．０９以下、０．０８以下、０．０７以下、０．０６以下、０．０５以下、０．０４以下、０．０３以下、０．０２以下、０．０１以下、０．００９以下、０．００８以下、０．００７以下、０．００６以下、０．００５以下、０．００４以下、０．００３以下、又は０．００２以下であることができる。上記に参照されたＬＤ／ＬＩ値の組合せもまた可能である。
一態様では、ＬＤ／ＷＧは１～１００（即ち、１／１～１００／１）であることができる。この範囲内で、ＬＤ／ＷＧは、少なくとも１、少なくとも２、少なくとも３、少なくとも４、少なくとも５、少なくとも６、少なくとも７、少なくとも８、少なくとも９、少なくとも１０、少なくとも２０、少なくとも３０、少なくとも４０、少なくとも５０、少なくとも６０、少なくとも７０、少なくとも８０、又は少なくとも９０であることができる。またこの範囲内で、ＬＤ／ＷＧは、１００以下、９０以下、８０以下、７０以下、６０以下、５０以下、４０以下、３０以下、２０以下、１０以下、９以下、８以下、７以下、６以下、５以下、４以下、３以下、又は下２以下であることができる。上記に参照されたＬＤ／ＷＧ値の組合せもまた可能である。
一態様では、エレクトロスイング吸着セルは第２の電極を更に含むことができる。第２の電極は補助電気活性複合層を含む。この補助電気活性複合層は、組成又は構造が、本開示のパターン化した第１の電極と同じであっても異なってもよい。補助電気活性複合層は第２の電気活性種を含み、この第２の電気活性種はパターン化した第１の電極の電気活性種と同じであっても異なってもよい。
一態様では、補助電気活性複合層はパターン化した第１の電極と同じ電気活性種を含む。パターン化した第１の電極と補助電気活性複合層の複合体が同じ電気活性種を含む場合、パターン化した第１の電極の電気活性種は、充電プロセス中、補助電極の電気活性種と異なる酸化状態にあってもよいことが理解されている。一態様では、補助電気活性複合層は、パターン化した第１の電極の第１の電気活性種とは異なる第２の電気活性種を含む。一態様では補助電気活性複合層の第２の電気活性種は、以前に記載されたような、電気活性有機分子、電気活性ポリマー、若しくは電気活性オリゴマーであり、又は電気活性無機複合体、電気活性メタロセン、又は前述のもののいずれかを含む組合せであることができる。
一態様では、補助電気活性種は、電気活性無機の複合体、例えば、式
ＡＭ１Ｘ
（式中、ＡはＬｉ、Ｎａ、又はＫであり、Ｍ１は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｖ、Ｓｉ、又はこれらの組合せであり、ＸはＯ２又はＰＯ４である）のアルカリ金属－遷移金属酸化物又はアルカリ金属－遷移金属ホスフェートであることができる。一態様では、電気活性種はＬｉＦｅＰＯ４であることができる。
ＡＭ１Ｘ
（式中、ＡはＬｉ、Ｎａ、又はＫであり、Ｍ１は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｖ、Ｓｉ、又はこれらの組合せであり、ＸはＯ２又はＰＯ４である）のアルカリ金属－遷移金属酸化物又はアルカリ金属－遷移金属ホスフェートであることができる。一態様では、電気活性種はＬｉＦｅＰＯ４であることができる。
一態様では、補助電気活性種はメタロセンを含む。適切なメタロセンの例として、これらに限定されないが、フェロセン、又はフェロセン（例えば、ポリビニルフェロセン）若しくはその誘導体から誘導される繰返し単位を含むポリマーを挙げることができる。
一態様では、補助電気活性複合層の第２の電気活性種はＭＸｅｎｅを含む。ＭＸｅｎｅとは、本明細書で使用される場合、金属炭化物、窒化物、炭窒化物、又はこれらの組合せを含む材料を指す。
エレクトロスイング吸着セルの作動中、補助電気活性複合層の第２の電気活性種は、パターン化した第１の電極の第１の電気活性のある種の還元のための電子供給源として機能することができる。同様に、補助電気活性複合層の第２の電気活性種は、パターン化した第１の電極の第１の電気活性種の酸化の間、電子のシンクとして機能することができる。
一態様では、第２の電極は基材を更に含むことができ、基材は補助電気活性複合層の近位又はその間に配置することができる。基材は、補助電気活性複合層又は層と直接的又は間接的に接触していることができる。存在する場合、基材は、例えば、炭素紙（処理された、ＰＴＦＥ処理された、又は未処理）、炭素布、不織布炭素マット、又は不織布カーボンナノチューブマットを含むことができる。一態様では、支持体は、パターン化した第１の電極の導電性骨格と同じであることができる。一態様では、第２の電極の基材は導電材料であることができ、エレクトロスイング吸着セル内で集電体として作用することができる。
一態様では、パターン化した第１の電極は負極であることができ、第２の電極は正極であることができる。アノード又は負極及びカソード又は正極という用語は便宜上及び明瞭さのために使用されているが、ただし、これらは標的ガスが獲得又は放出された場合にのみ技術的に正確となり得る。
一態様では、第２の電極はパターン化した第１の電極の間に配置することができる。パターン化した第１の電極のそれぞれは以前に記載した通りであってよい。一態様ではパターン化した第１の電極及び／又は第２の電極は構成又は組成が同一であってもよい。
一態様では、第２の電極は２５～５００マイクロメートルの厚さを有することができる。一態様では、この範囲内で、第２の電極は少なくとも３０μｍ、少なくとも４０μｍ、少なくとも５０μｍ、少なくとも１００μｍ、少なくとも１５０μｍ、少なくとも２００μｍ、少なくとも２５０μｍ、少なくとも３００μｍ、少なくとも３５０μｍ、少なくとも４００μｍ、又は少なくとも４５０μｍの厚さを有することができる。またこの範囲内で、第２の電極は、４５０μｍ以下、４００μｍ以下、３５０μｍ以下、３００μｍ以下、２５０μｍ以下、２００μｍ以下、１５０μｍ以下、１００μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、又は３０μｍ以下の厚さを有することができる。第２の電極に対して上記に参照された厚さの組合せもまた想定される。
エレクトロスイング吸着セルは、パターン化した第１の電極と第２の電極との間に配置されたセパレータを更に含むことができる。セパレータは、各電極における電気化学反応が互いに干渉しあうのを防止することができる保護層として機能することができる。セパレータはまた、短絡回路を防止するために、第１の電極と第２の電極とを互いに電子的に単離させる、又はこれらをエレクトロスイング吸着セル内の他の成分から電子的に単離させるのを助けることができる。当業者は、本開示のメリットを用いて、適切なセパレータを選択することができる。
一態様では、エレクトロスイング吸着セルは、パターン化した第１の電極と第２の電極との間に、例えば、負極と正極との間に配置された単一のセパレータを含む。エレクトロスイング吸着セルを組み合わせて、平行した及び直列の構成の任意の適切な組合せでスタックを生成することができる。よって、一態様では、エレクトロスイング吸着セルは１つより多くのセパレータを含むことができる。例えば、当業者であれば、直列及び平行した構成の選択された組合せに応じて、単一のセパレータを使用することができる、又は複数のセパレータが好ましいこともあることを理解している。
セパレータは多孔質セパレータであることができる。多孔質セパレータは任意の適切な材料を含むことができる。一態様では、多孔質セパレータは、ポリマーフィルム、例えば、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリアラミド、ポリエステル、ポリウレタン、アクリル酸樹脂、又はこれらの組合せを含むフィルムを含むことができる。ポリマーは、片側又は両側がセラミックナノ粒子でコーティングされていてもよい。一態様では、多孔質セパレータは、セルロース、合成ポリマー材、又はポリマー／セラミック複合材料を含むことができる。セパレータのさらなる例として、ポリビニリデンジフルオリド（ＰＶＤＦ）セパレータ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ＰＶＤＦ－アルミナ複合体セパレータ、又は微小孔性オレフィン、例えば、微小孔性ポリエチレン又は微小孔性ポリプロピレンを挙げることができる。
一態様では、パターン化した第１の電極はフォールディング又はプリーツ加工により所望の構成にすることができる。一態様では、パターン化した第１の電極、セパレータ、及び第２の電極は、一緒にフォールディング又はプリーツ加工することより、所望の構成にすることができる。プリーツ加工又はフォールディングした構成は以下で更に論じられる。
エレクトロスイング吸着セルは、電子を電極から隣接するセル（直列にスタックした構成）へと導く又は電極から末端接続（平行してスタックした構成）へと導く集電体を更に含むことができる。集電体は、例えば、炭素、金属、又はこれらの組合せを含むことができる。一態様では、集電体は炭素を含むことができる。炭素の適切な例として、これらに限定されないが、グラファイト、薄片化グラファイト、膨張グラファイト、炭素繊維、カーボンナノチューブ、非晶質炭素、グラフェン、又はこれらの組合せを挙げることができる。カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブを含んでもよい。カーボンナノチューブは主に炭素であるが、ただし、ナノチューブファイバーは、他の原子、例えば、ホウ素、窒素、又は１種又は複数の様々な金属を更に含んでもよい。一態様では、集電体は金属を含むことができる。金属は、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｎ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｇ、これらの合金若しくは金属間、又はこれらの組合せを含むことができる。一態様では合金はステンレススチール、例えば、３０４又は３１６ステンレススチールである。
一態様では、炭素又は金属は球状、フレーク状、又は繊維状の形態を有してもよい。一態様では、金属は金属メッシュ、発泡体、フェルト、又はエキスパンドメタルの形態であってもよい。炭素又は金属粒子は配向することができる。例えば、金属がファイバーの形態である場合、ファイバーは、長軸が集電体の主要な表面と垂直の方向に配向されるよう、例えば、ファイバーが、表面に対して直角に、例えば、交差面方向に配向されるように配向することができる。
一態様では、集電体は、炭素、金属、及び結合剤を含む複合体を含むことができる。複合体中の炭素又は金属は、複合体の総量に対して、１０～９８容量％の量で存在することができる。一態様では、複合体は、炭素又は金属を、複合体の総量に対して、５０～９５容量％の量で含む。一態様では、複合体は、カーボンナノチューブ又はグラフェンを含み、カーボンナノチューブ又はグラフェンを、複合体の総量に対して１０～４０容量％の量で含むことができる。複合体は細孔を含んでもよく、及び細孔はポリマーを含有してもよい。
結合剤は、存在する場合、ポリマーを含むことができる。結合剤は熱硬化性又は熱可塑性であることができる。適切なポリマー結合剤は、例えば、エポキシ、フェノール系、ビニルエステル、ポリアリーレンスルフィド、ポリベンゾオキサジン、イソシアネート、フルオロポリマー、ゴム、又はこれらの組合せを含むことができる。代表的なポリマー結合剤として、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリビニリデンジフルオリド、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、デンプン、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－プロピレン－ジエンモノマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレン－ブタジエン－ゴム、又はフッ化ゴムを挙げることができる。前述のポリマー結合剤のうちの１種を含む組合せを使用することができる。
結合剤は添加剤を任意選択で更に含むことができる。特定の添加剤として、流動促進剤、離型剤、又はこれらの組合せを挙げることができる。一態様では、ポリマー結合剤は架橋することができる。ポリマーは電気絶縁体又は電気導電体であることができる。例示的な導電性ポリマーは、例えば、すべての目的のためその内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願公開第２００４／９７７７９７号に見出すことができる。任意選択で、導電材料、例えば、カーボンブラック、ナノチューブ、炭素繊維、グラフェンなどは、集電体の表面でポリマー結合剤に埋め込むことができ、これは、理論に制約されることを望むことなく、隣接するセルの構成要素、例えば、ガス拡散層に対する接触抵抗を減少させると考えられている。
一態様では、集電体は、集電体の表面の少なくとも一部分に配置されたコーティングを任意選択で含むことができる。コーティングは、理論に制約されることを望むことなく、腐食を減少させる、イオン又はガスの透過を遮断する、又はガス拡散層又は電極への電気的接触を改善するよう機能することができる。コーティングは、存在する場合、炭素、金属、合金、若しくは金属間材料、又はこれらの組合せを含むことができ、これら金属、合金、又は金属間材料はＮｉ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、又はこれらの組合せを含む。コーティングは金属、合金、又は金属間の酸化物、ホウ化物、窒化物、又は炭化物を含むことができる。コーティング組成物の非限定的例として、酸化スズ、チタニウムカーバイド、タングステンカーバイド、炭化ジルコニウム、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛インジウム、ホウ化チタン、ジルコニウムホウ化物、酸化チタニウムニオブ、酸化チタニウムタンタル、ランタンストロンチウム酸化クロム、酸化ランタンストロンチウムコバルト、窒化チタン、クロムニトリド、バナジウムニトリド、又はこれらの組合せを挙げることができる。例えば、一態様では、集電体は、金属、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、又はＡｕ、又は腐食耐性材料、例えば、スズでプレーティングすることができる。一態様では、コーティングはポリマーを含むことができる。ポリマーコーティングの例は、例えば、すべての目的のためその内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている、米国特許出願公開第２００７／０２９８２６７号に記載されている。一態様では、コーティングは導電性ポリマーを含むことができる。一態様では、コーティングは、上に記載されているような結合剤、及び導電材料の粒子、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、金、銀、又はこれらの組合せを含むことができる。一態様では、コーティングは、蒸着したダイヤモンド様炭素、又は炭素質ポリマーの熱分解の生成物を含む。
集電体は任意の適切な多孔度を有してもよく、一態様では無孔質である。一態様では、集電体は、標的ガス、例えば、二酸化炭素に対して効果的に不浸透性である。
エレクトロスイング吸着セルは直列にスタックすることができ、集電体はイオン及び反応物質及び放出されたガスの、第１のセルから第２の隣接するセルへの輸送を遮断することができる。更に、集電体は、エレクトロスイング吸着セルに機械的構造及び安定性を付与することができる。集電体は、セル全域へのガスの分布のための流れ場を提供するチャネルを形成するリブを任意選択で含むことができる。リブは、エレクトロスイング吸着セル全域に電子を導き、望ましい構造的完全性を任意選択で提供することができる。リブは、存在する場合、例えば、上記に開示されているような、炭素、金属、複合体、又はこれらの組合せを含むことができ、コーティングを任意選択で含むことができ、このコーティングのそれぞれは更に上記に記載されている。リブは集電体と同じ材料を含んでもよい。リブは集電体と異なる材料を含んでもよい。リブは、厚さの製造公差を受け入れるために部分的に圧縮され得る材料を含んでもよい。例えば、リブは電子的に導電性のある密閉セル発泡体又はガスケットを含んでもよい。リブは、集電体表面に対して凸面又は凹面の部分であってもよく、任意の適切な断面形状、例えば、長方形又は丸い形状を有することができる。
一態様では、集電体の第１の側面は、吸着性電極（例えば、パターン化した第１の電極）に面していることができ、第２の側面である集電体の反対側は、非吸着性対電極（例えば、第２の電極）又は末端プレートに面している。一態様では、集電体の両側が吸着性電極に面することができる。吸着性電極に面する集電体の側面は、流れ場を含んでもよい。集電体の側面、例えば、第１の側面及び第２の側面は、それぞれ独立して、同じ又は異なる材料を含むことができる。一態様では、バリア材料、例えば、導電性であり、イオン又はガスの輸送を遮断することができる材料を含む介在層は、集電体の第１と第２の側面の間に挿入することができる。一態様では、バリア材料は金属ホイルを含むことができる。
集電体は、装置のペリメーターの密閉を補助するための特色を含むことができる。このような特色として、溝、ステップ、斜面、又はこれらの組合せを挙げることができる。このような特色は、例えば、すべての目的のためその内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願公開第２００２／０１９７５１９号に記載されている。
集電体は、集電体の内部を介して広がるチャネルを更に含むことができ、好ましくは、冷却材はこれを介して流動することができる。冷却材チャネルは、当業者により容易に決定できるような、発熱の速度が最も高いと予想されるセルの領域で冷却材の流速が最も高いように配置することができる。平行した又はヘビ状構成の使用が記述されている。発泡体又はメッシュ、例えば、導電性発泡体又はメッシュが使用される一態様では、冷却材は発泡体又はメッシュを介して流動することができる。発泡体又はメッシュは集電体の２つの層の間に提供され得る。一態様では、冷却材は、波形又は波形構造を介して流動することができ、集電体の反対の層との間に提供される。
一態様では、集電体は、第１の面上の反応ガス流に対するチャネル、及び第２の、反対の面上の冷却材に対するチャネルを含有する第１のシートを含むことができる。第１のシートは第２のシートに付加していてもよく、この第２のシートはシートの面に対して直交して電気伝導を提供しながら、冷却材チャネルに対する境界を形成する。第１のシートは、任意の適切な方法、例えば、ろう付け、溶接、はんだ付け、積層、拡散接合、圧縮、又は接着結合により第２のシートに付加することができる。冷却材チャネルは隣接するプレートをネスティングすることにより形成することができ、この隣接するプレートは、第１及び第２の電極に対して流れ場を含有する。冷却材チャネルは米国特許第６，０９９，９８４号に記載されており、さらなる例示的な冷却材の流動パターンは、すべての目的のためそれぞれの内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている、米国特許出願公開第２００４／０２０９１５０号及び米国特許出願公開第２００３／０２０３２６０号に提供されているものの中に見出すことができる。
集電体は、センサー、例えば、集電体に接続している電圧センサー又は電圧感受性ワイヤーを更に含むことができる。一態様では、集電体は加熱エレメントを更に含むことができる。
一態様では、集電体は、アセンブリー、例えば、アライメントピンを促進するメンバーを含むことができる。代わりに、アライメント又は密閉を補助するために集電体の周囲に枠が提供されてもよい。様々な適切な集電体の構成要素の例は、すべての目的のためその内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願公開第２００３／００２２０５２号に見出すことができる。
エレクトロスイング吸着セルはガス流れ場を任意選択で更に含むことができる。ガス流れ場は、存在する場合、第１の電極と集電体との間に配置することができる。ガス拡散層がエレクトロスイング吸着セル内に存在しない場合、ガス流れ場は、セパレータの反対の側面上の第１の電極に隣接して配置することができる。一態様では、ガス流れ場は、集電体に隣接して配置することができ、又は集電体の側面が流れ場を含んでもよい。流れ場は、反応流体を流入口から流出口へと流動するよう誘導するための構造を含むことができる。理論に制約されることを望むことなく、流れ場は、電極領域への均一な反応物の流れを提供する働きをする。好ましくは、流れ場は、電極領域への均一な反応物流れ、流動に対する低いバリア、例えば、低圧損、及び流れ場を介した電極から集電体への適切な電気伝導を提供する。
ガス流れ場はガス拡散層を任意選択で更に含むことができる。ガス拡散層は、セパレータの反対の側面上の第１の電極に隣接して配置することができる。ガス拡散層は多孔質、導電性材料を含むことができる。一態様では、ガス拡散層は、例えば、６０％超若しくはこれに等しい、７０％超若しくはこれに等しい、７５％超若しくはこれに等しい、８０％超若しくはこれに等しい、又はこれよりも大きな多孔度を有する。一態様では、ガス拡散層は８５％未満若しくはこれに等しい、９０％未満若しくはこれに等しい、又はこれよりも大きな多孔度を有する。これらの範囲の組合せが可能である。例えば、一態様では、第１の電極のガス拡散層は、６０％超又はこれに等しく、９０％未満又はこれに等しい多孔度を有する。他の多孔度もまた可能である。ガス拡散層に対して適した材料の例として、制限なしで、炭素紙（処理された、ＰＴＦＥ処理された、又は未処理の）、炭素布、又は不織布炭素繊維又はカーボンナノチューブマットが挙げられる。
一態様では、流れ場は多孔質発泡体又はメッシュを含むことができる。発泡体又はメッシュは、導電性接着剤、溶接、熱接着、又は焼結により無孔質プレートに結合させることができる。
流れ場はチャネルを含むことができる。チャネルは２つ以上のリブにより規定され得る。一態様では、チャネル、リブ、又は両方は、それぞれ独立して、少なくとも０．１ｍｍ、少なくとも０．２ｍｍ、少なくとも０．３ｍｍ、少なくとも０．４ｍｍ、少なくとも０．５ｍｍ、少なくとも０．６ｍｍ、少なくとも０．８ｍｍ、少なくとも０．９ｍｍ、少なくとも１ｍｍ、少なくとも２ｍｍ、少なくとも３ｍｍ、少なくとも４ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、少なくとも６ｍｍ、少なくとも７ｍｍ、少なくとも８ｍｍ、又は少なくとも９ｍｍの平均幅を有することができる。一態様では、チャネル、リブ、又は両方は、それぞれ独立して、１０ｍｍ以下、９ｍｍ以下、８ｍｍ以下、７ｍｍ以下、６ｍｍ以下、５ｍｍ以下、４ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下、１ｍｍ以下、０．９ｍｍ以下、０．８ｍｍ以下、０．７ｍｍ以下、０．６ｍｍ以下、０．５ｍｍ以下、０．４ｍｍ以下、０．３ｍｍ以下、又は０．２ｍｍ以下の平均幅を有することができる。チャネル及び／又はリブにして上記に参照された平均幅の組合せもまた可能である。
一態様では、チャネル、リブ、又は両方は、それぞれ独立して、少なくとも０．１ｍｍ、少なくとも０．２ｍｍ、少なくとも０．３ｍｍ、少なくとも０．４ｍｍ、少なくとも０．５ｍｍ、少なくとも０．６ｍｍ、少なくとも０．８ｍｍ、少なくとも０．９ｍｍ、少なくとも１ｍｍ、少なくとも２ｍｍ、又は少なくとも３ｍｍの平均深さを有することができる。一態様では、チャネル、リブ、又は両方は、それぞれ独立して、４ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下、１ｍｍ以下、０．９ｍｍ以下、０．８ｍｍ以下、０．７ｍｍ以下、０．６ｍｍ以下、０．５ｍｍ以下、０．４ｍｍ以下、０．３ｍｍ以下、又は０．２ｍｍ以下の平均深さを有することができる。チャネル及び／又はリブに対して上記に参照された平均深さの組合せもまた可能である。
流れ場を製造するための様々な方法、例えば、機械加工、射出成形、圧縮成形、押出加工、エンボス加工、又はスタンピングを使用することができる。例示的な方法は、例えば、すべての目的のためそれぞれの内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている、米国特許出願公開第２００４／０１５１９７５号及び米国特許出願公開第２００３／００２２０５２号に記載されている。一態様では、流れ場は、例えば、すべての目的のためその内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願公開第２００２／００８１４７７号に記載されているような、１つのチャネルから隣接するチャネルへの流れの経路を決めるための結合を有する波形の金属を含むことができる。
流れ場の流れパターンは、例えば、平行した、ヘビ状、又は交互にかみ合わされた流れを提供する任意の適切な構成を有することができる。ヘビ状の流れパターンの非限定的例は、すべての目的のためその内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている米国特許第６，３０９，７７３号に提供されている。フローチャネルは、均一な断面を有することができ、又は漸減若しくは収縮して、例えば、セル領域の全域で反応の適切な分布をもたらす領域を有することができる。フローチャネルは、例えば、反応物の電極への輸送を改善することができる乱気流を生成するために分裂又は障害物を含有することもできる。例示的なフローチャネルは、すべての目的のためその内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている米国特許第６，７５６，１４９号に記載されている。流れ場パターン及び寸法は、セル内の各流れ場に対して同じであることができ、又はこれらは、当業者により容易に決定することができるように、スタック内のセルの位置及び流れ場に面する電極の性質に応じて変動し得る。一態様では、集電体の両方の面の上にチャネルが存在する場合、チャネルを組み込んでスタックの厚さを減少させることもできる。
一態様では、マニホールドを使用して、処理ガス、例えば、反応ガスを、エレクトロスイング吸着セルに送達し、生成ガス、例えば、放出されたガスを、エレクトロスイング吸着セルから外へ搬送することができる。マニホールドはガスを分配することができる。パラメーター、例えば、マニホールドの長さ及び断面寸法は、適切な特性、例えば、圧力低下が得られるように選択することができる。マニホールドはまた好ましくはガスの漏出を防止することができる。使用することができる例示的なマニホールド設計として、これらに限定されないが、すべての目的のためそのそれぞれの内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている、米国特許第６，１５９，６２９号；米国特許第６，１７４，６１６号；米国特許第５，４８６，４３０号；米国特許第５，７７６，６２５号；及び米国特許第６，０１７，６４８号に開示されたものが挙げられる。
一態様では、エレクトロスイング吸着セルは、エレクトロスイング吸着セルからの処理ガスの漏出を防止するため密閉部を含むことができる。密閉領域に面している表面、例えば、ガス拡散層、電極、又はセパレータの表面はこれらの周囲にガス不透過性シーラントを含浸させることができる。好ましくは、密閉部の形状は、セパレータの穿刺、疲労、又は引き裂きをもたらし得る応力が導入されないように選択される。密閉部の厚さは均一であってもよいし、又は電極及びガス拡散層の縁に関連して、密閉部の異なる領域にわたって変動させてもよい。密閉部は電気絶縁性であり、化学的及び電気化学的に非反応性である。密閉部は適切なＯリング、ガスケット、又は接着剤を含むことができる。密閉部は、メンバー、例えば、集電体又はマニホールドの周囲に堆積した流体不透過性材料の隆起又はビーズを含むことができる。一態様では、密閉部は、エラストマー、及び熱硬化性又は熱可塑性、例えば、エポキシ、ゴム、ポリオレフィン、シリコーン、フルオロポリマー、フルオロ－エラストマー、又はクロロポリマーを含むことができる。一態様では、密閉部は発泡体、例えば発泡ゴムを含むことができる。一態様では、密閉部は熱収縮性フィルムを含むことができる。例示的な封止物質は、すべての目的のためそれぞれの内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている米国特許第６，４４０，５９７号及び米国特許出願公開第２００６／００７３３８５号に記載されている。
一態様では、密閉部がガスケットである場合、ガスケットは充填剤を任意選択で含むことができ、充填剤は、好ましくは、隣接する材料、例えば、集電体材料と合致させたガスケット材料の熱膨張係数を提供することができる。例示的な充填剤として、これらに限定されないが、ガラス、ポリスチレン、ポリ（テトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ）、又は絶縁性の金属酸化物、例えば、シリカ又はアルミナを挙げることができる。
適切な密閉部は、任意の適切な方法、例えば、すべての目的のためその内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている、米国特許出願公開第２００３／００３１９１４号に記載されているように、例えば、結合ポリマーを、セルの縁の周辺の溝に注入することにより製造することができる。方法は、例えば、すべての目的のためその内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願公開第２００３／００７２９８８号に記載されているように、対応して成形されたガスケットを有する溝付きの表面を形成することを含むことができる。一態様では、シーラント材料は、集電体の上又はガス拡散層、電極、セパレータ、又はこれらの組合せのアセンブリーの上にコーティング、スプレー、積層、又は射出成形することができる。シーラントは、外側を向いたセルの縁を封入することができる。密閉部形状の例は、すべての目的のためそれぞれの内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている、米国特許出願公開第２００７／０２３１６１９号、米国特許出願公開第２００７／００４２２５４号、米国特許出願公開第２００２／０１７２８５２号、並びに米国特許第６，２６１，７１１号に記載されている。一態様では、セパレータの反対側のガスケットは、セパレータの周辺領域に任意選択で含まれる貫通孔を介して互いに接続していることができる。
密閉を改善するため、一態様ではセパレータは周囲領域において無孔質であることができる。セパレータに無孔質を付与する方法は、セパレータの材料（例えば、ポリマー材）の流れを引き起こし、よって細孔を充填するのに十分な温度にセパレータを熱プレスすることを含む。セパレータは、ガスケットに熱プレスする若しくは熱的結合する、又はシーラントで接着することができる。
内部温度が、エレクトロスイング吸着セルを損傷し得る温度を上回るのを防止するために、エレクトロスイング吸着セルからの熱を取り除くことが有利となり得る。熱の除去は、以前に論じた冷却材チャネルの使用を介して達成することができる。一態様では、エレクトロスイング吸着セルは、エレクトロスイング吸着セルの側面上に空気をブローイングすることによって冷却することができる。一態様では、エレクトロスイング吸着セルは、エレクトロスイング吸着セルの側面に平行して並ぶ又はその中のチューブ又はダクトを介して冷却材を流すことにより冷却することができる。一態様では、集電体は、任意の冷却材チャネルを含まなくてもよく、処理ガスを冷却材として効果的に使用して、エレクトロスイング吸着セルを介した処理ガスの流速を制御することにより、冷却を提供することもできる。この冷却方法は、処理ガス（反応ガス）が空気である場合、特に有利となり得る。
一態様では、エレクトロスイング吸着セルの少なくとも一部分を加熱することもできる。例えば、エレクトロスイング吸着セルの末端部分を加熱することができ、又はエレクトロスイング吸着セルのセル終端部（例えば、「末端セル」）を加熱することもできる。理論に制約されることを望むことなく、エレクトロスイング吸着セルの加熱は、より高い捕獲速度又は湿度の高い処理ガスの水分凝縮の防止を可能にすることができる。電気的耐性のある加熱エレメントを、例えば、末端プレート又はマニホールドに隣接して組み込む又は配置することができる。
エレクトロスイング吸着セルの全域に圧力を加えることは、エレクトロスイング吸着セル内の構成成分間の接触抵抗、例えば、流れ場とガス拡散層との間の接触抵抗を減少させるのに有利となり得る。圧力の適用はまた、密閉部の気密性を改善するのに有利となり得る。圧力はエレクトロスイング吸着セルの全域に、例えば、タイロッド又は外部クランプを使用して加えることができる。タイロッドは密閉部及びマニホールドの内部又は外部にあってもよい。機械的不具合をもたらし得る機械的応力の領域を局在化することなく、圧力を均一に加えることが好ましくもある。当業者は、均一な圧力を加え、応力集中を回避するためのワッシャ、ディスクバネ、コイルばね、ベルビルワッシャ、ナッツ、クランプ、フレーム、留め具、コレット、くさび形、又は圧力プレートの設計に精通している。圧縮アセンブリーの例は、例えば、すべての目的のためその内容がその全体において参照により本明細書に組み込まれている米国特許第６，１９０，７９３号に記載されている。
一態様では、エレクトロスイング吸着セルは、有利には、室温及び大気圧及び濃度で、ルイス酸（例えば、ＣＯ２）を、少なくとも１ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも２ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも３ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも４ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも５ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも６ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも７ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも８ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも９ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも１０ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも２０ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも３０ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも４０ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも５０ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも６０ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも７０ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも８０ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも９０ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも１００ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも２００ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも３００ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも４００ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも５００ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも６００ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも７００ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも８００ｇのルイス酸／ｍ２／時間、少なくとも９００ｇのルイス酸／ｍ２／時間、又は少なくとも１，０００ｇのルイス酸／ｍ２／時間の速度で捕獲することができる。
本開示の様々な態様によるエレクトロスイング吸着セルを更に図示し、以下に詳細に説明する。
図１Ａは、第１のパターン化電極１１０を備えた非対称エレクトロスイング吸着セル１００の概略図である。第１のパターン化電極１１０は、電気活性種１３０が配置された導電性骨格１２０、電解質領域１４０、及びガス領域１５０を備えている。導電性骨格１２０は、電解質領域１４０に広がり、電解質領域１４０と接している。一態様では、導電性骨格１２０は、ガス領域１５０に広がることができる。一態様では、ガス領域１５０は、導電性骨格１２０を備えていなくてもよい。パターン化電極１１０は、ガス流れ場１６０に結合されており、パターン化電極１１０に標的ガス種を含むガス流を供給する。エレクトロスイング吸着セル１００は、更に対電極１７０を備え、電気活性種１３０が還元される場合、電気活性種１３０の電荷をバランスさせることができる。セパレータ１８０は、パターン化電極１１０と対電極１７０との間に配置されている。
一態様では、対電極１７０の代わりに第２のパターン化電極を使用して図１Ｂに示されるような対称エレクトロケミカルスイング吸着セルを提供することを望ましく得る。対称エレクトロケミカルスイング吸着セル１０１では、第１のパターン化電極１１１及び第２のパターン化電極１１２は、パターン化電極１１０についての開示と組成的に同じであってもよいが、使用時には、それらの充電状態は異なるであろう。同様に、第１のガス流れ場１６１及び第２のガス流れ場１６２はそれぞれ独立してガス流れ場１６０について記載された通りであってもよい。対称エレクトロケミカルスイング吸着セルは、それがさらなる効率を提供し得るので望ましくし得、例えば、第１のパターン化電極は捕捉を提供し得、一方、第２のパターン化電極は標的種の放出を提供し得る。したがって、説明を明瞭及び容易にするために、非対称セルは記載されていてもよいが、第２のガス流れ場及び第２のパターン化電極を対電極の代わりに使用して対称セルを提供してもよい。
図２Ａは、パターン化電極２１０を備えたエレクトロスイング吸着セル２００を示す。図２Ａに示すように、パターン化電極２１０は、電気活性種２３０が配置された導電性骨格２２０、電解質領域２４０、及びガス領域２５０を備えている。エレクトロスイング吸着セル２００は、更に、第２の電極２７０及びセパレータ２８０を備えている。一態様では、エレクトロスイング吸着セル２００は、更に、パターン化電極２１０とガス流れ場 ２６０と間にガス拡散層２１５を備えている。
多相反応域（例えば、パターン化電極２１０）上の捕捉率は、式１によるフィックの法則によって近似することができる。
式中、ＣＲはエレクトロスイング吸着セル２００によるルイス酸による捕捉率（例えば、ルイス酸のグラム／ｍ２／ｈｒ）、εは、電解質領域２４０中の電解質の体積分率、Ｄは、電解質中の溶解されたルイスガスの拡散率（ｍ２／ｈｒ）、τは、ねじれ（しばしばε－０．５と近似される）、ｃｓａｔは、電解質領域２４０とガス領域２５０との界面での電解質中の溶解ガスの濃度であり、電解質は気相中のルイスガスの濃度（ｍｏｌ／ｍ３）と平衡状態にあり、Ｍは、標的ガス種の分子量（ｇ／ｍｏｌ）であり、ＬＤは、拡散長、例えば、ｙ方向の電解質領域２４０の平均厚さである。式１は、エレクトロスイング吸着セル２００がガスを捕捉する割合が電解質領域２４０の幅に反比例することを示す。
導電性骨格２２０は、図２Ａに示すように、ランダムな凹凸パターンで、又は規則的パターンで、例えば、織られた炭素繊維材料のように配列することができる。一態様では、導電性骨格２２０を含む粒子は、図２Ｂに示すように、粒度分布が狭くてもよい。一態様では、導電性骨格２２０における粒子は、図２Ｃ示されるように、炭素繊維などのより大きな繊維２２２上に配置された、ナノチューブ、気相成長炭素繊維、又はグラフェンなどの小さな粒子２２４を含んでいてもよい。
一態様では、図２Ｄに示すように、ガス流れ場２６０は、チャネル２６２及びリブ２６４を備えることができる。一態様では、ガス拡散層２１５は、リブ２６４下のチャネル２６２からのガス流を広げる機能を果たすことができる。チャネル２６２、リブ２６４、又は両方（例えば、図２Ｄのｙ方向）の平均幅、及びチャネル２６２（例えば、図２のｚ方向）の平均深さは、前記の通りであり得る。
一態様では、例えば、図２Ｅに示すように、ガス流れ場２６０が多孔性金属発泡体を含む場合、リブ及びチャネルは、必要に応じて省略されてもよい。一態様では、ガス流れ場２６０は、多孔性金属発泡体から構成される部分、及びチャネル２６２及びリブ２６４を含む部分を含むことができる。一態様では、ガス流れ場の多孔度は、ガス拡散層の多孔度よりも大きい。
図３及び図４は、パターン化電極３１０を備えたエレクトロスイング吸着セル３００を示す。図３は、エレクトロスイング吸着セル３００の断面図を示し、一方、図４は、パターン化電極３１０の正面図を示す。パターン化電極３１０は、電気活性種３３０が配置された導電性骨格３２０、電解質領域３４０、及びガス領域３５０を備えている。エレクトロスイング吸着セル３００は、更に、ガス流れ場３６０、第２の電極３７０、及びセパレータ３８０を備えている。一態様では、エレクトロスイング吸着セル３００は、パターン化電極３１０とガス流れ場３６０との間にガス拡散層３１５を備えていてもよい。図３及び図４は、円筒形状又は円錐形状のガス領域３５０を示すが、ガス領域は、任意の適切な形状を有していてもよい。
図３及び図４は、更に、寸法ＬＩ、ＬＤ、及びＷＧを示す。ＬＩは、カチオンＣ＋がセパレータからＥＳＡセルにおける電気活性種Ｐの活性部位に移動する距離、例えば、セパレータ３８０からガス拡散層３１５の平均距離について記載している。言い換えると、ＬＩは、カチオンが、セパレータ３８０からパターン化電極３１０中の活性部位まで電解質領域３４０中を移動する距離について記載している。ＬＤは、ルイス酸ガスの経路の拡散長、例えば、ガス領域３５０間の平均距離について記載している。言い換えると、ＬＤは、パターン化電極３１０中の活性部位まで電解質を通った標的ガス種の拡散長について記載している。ＷＧは、ガス領域３５０の平均幅について記載している。ガス領域３５０が球形状又は円筒形状の場合（例えば、図３及び図４のように）、ＷＧはガス領域３５０の直径である。ガス領域３５０が不規則形状を含む場合、ＷＧは、ガス領域３５０の体積平均幅である。
ＬＩ、ＬＤ、及びＷＧは先に説明した通りとすることができる。例えば、ＬＤは１μｍ～１ｍｍとすることができる。例えば、ＷＧは、１μｍ～１００μｍとすることができる。例えば、ＬＩは、１５～５００μｍとすることができる。
図５及び図６は、パターン化電極４１０を備えたエレクトロスイング吸着セル４００を示す。図５は、エレクトロスイング吸着セル４００の断面図を示し、一方、図６は、パターン化電極４１０の正面図を示す。パターン化電極４１０は、電気活性種４３０が配置された導電性骨格４２０、電解質領域４４０、及びガス領域４５０を備えている。エレクトロスイング吸着セル４００は、更に、ガス流れ場４６０、第２の電極４７０、及びセパレータ４８０を備えている。一態様では、エレクトロスイング吸着セル４００は、パターン化電極４１０とガス流れ場４６０との間にガス拡散層４１５を備えていてもよい。図５及び図６は、ストライプ形状又は直方体形状を有するガス領域を示す。
寸法ＬＩ、ＬＤ、及びＷＧが図５及び図６に含まれており、それらは先に定義されている。
図７及び図８は、パターン化電極５１０を備えたエレクトロスイング吸着セル５００を示す。図７は、エレクトロスイング吸着セル５００の断面図を示し、一方、図８は、パターン化電極５１０の正面図を示す。パターン化電極５１０は、活性ポリマー５３０にコーティングされた導電性骨格５２０、電解質領域５４０、及びガス領域５５０を備えている。エレクトロスイング吸着セル５００は、更に、ガス流れ場５６０、第２の電極５７０、及びセパレータ５８０を備えている。一態様では、エレクトロスイング吸着セル５００は、パターン化電極５１０とガス流れ場５６０との間のガス拡散層５１５を備えていてもよい。
図７及び図８に示すように、パターン化電極５１０のガス領域５５０は、ガス流れ場５６０の近くでより広く、セパレータ５８０の近くでより狭い。言い換えると、ガス領域５５０は台形状の断面を有する。反対に、電解質領域５４０は、セパレータ５８０の近くでより広く、ガス流れ場５６０の近くでより狭くてもよい。理論に束縛されるものではないが、エレクトロスイング吸着セル５００の全体抵抗は、電解質のイオン抵抗率、導電性骨格５２０の電気抵抗率、電荷移動、及びルイス酸の拡散からの寄与を含む。理論に限定されることを望まないが、セパレータ５８０では、電流のすべてがイオンによって運ばれることが理解される。電流がパターン化電極５１０を移動するので、それは、電解質相中のイオンから導電性骨格５２０における電子にエレクトロケミカル反応によって移動される。ガス流れ場５６０で、電流のすべては電子によって運ばれる。イオン抵抗性は、電解質の体積分率で除算された電流密度に比例する。したがって、エレクトロスイング吸着セル５００の全体セル抵抗は、セパレータ５８０の近くにより大きい体積分率の電解質を有することによって低減することができる。セパレータ５８０の近くにより多くの電解質を含むことは、対電極５７０から輸送されたイオンの移動を促進することができる。更に、ガス流れ場５６０の近くでより広く、セパレータ５８０の近くでより狭いガス領域５５０を備えた幾何形状は、製造するのがより簡単になり得、ガス流れ経路を閉鎖する欠点の危険を低減することができる。
一態様では、ＬＩは、上記と同じ又は実質的に同様の特性／寸法を有し得る。ＬＤＳは、パターン化電極５１０とセパレータ５８０との間の界面の近くのパターン化電極５１０における活性部位への標的ガス種の拡散長について記載している。ＬＤＣは、パターン化電極５１０とガス拡散層５１５との間の界面の近くのパターン化電極５１０において活性部位への標的ガス種の拡散長について記載している。ＷＳは、パターン化電極５１０とセパレータ５８０との間の界面の近くのガス領域５５０の平均幅について記載している。ＷＣは、パターン化電極５１０とガス拡散層５１５との間の界面の近くのガス領域５５０の平均幅について記載している。一態様では、ＷＳはＷＧと同じ又は実質的に同様の寸法を有することができる。
一態様では、ＷＣは１～５００μｍとすることができる。この範囲内では、ＷＣは、少なくとも１μｍ、少なくとも２μｍ、少なくとも３μｍ、少なくとも４μｍ、少なくとも５μｍ、少なくとも６μｍ、少なくとも７μｍ、少なくとも８μｍ、少なくとも９μｍ、少なくとも１０μｍ、少なくとも２０μｍ、少なくとも３０μｍ、少なくとも４０μｍ、少なくとも５０μｍ、少なくとも６０μｍ、少なくとも７０μｍ、少なくとも８０μｍ、少なくとも９０μｍ、少なくとも１００μｍ、少なくとも１５０μｍ、少なくとも２００μｍ、少なくとも２５０μｍ、少なくとも３００μｍ、少なくとも３５０μｍ、少なくとも４００μｍ、又は少なくとも４５０μｍとすることができる。また、この範囲内では、ＷＣは、５００μｍ以下、４５０μｍ以下、４００μｍ以下、３５０μｍ以下、３００μｍ以下、２５０μｍ以下、２００μｍ以下、１５０μｍ以下、１００μｍ以下、９０μｍ以下、８０μｍ以下、７０μｍ以下、６０μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下、９μｍ以下、８μｍ以下、７μｍ以下、６μｍ以下、５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下、又は２μｍ以下とすることができる。ガス領域について、上記ＷＣ値の組合せも可能である。
一態様では、ＬＤＣは、１μｍ～１ｍｍとすることができる。この範囲内では、ＬＤＣは、少なくとも１μｍ、少なくとも２μｍ、少なくとも３μｍ、少なくとも４μｍ、少なくとも５μｍ、少なくとも６μｍ、少なくとも７μｍ、少なくとも８μｍ、少なくとも９μｍ、少なくとも１０μｍ、少なくとも２０μｍ、少なくとも３０μｍ、少なくとも４０μｍ、少なくとも５０μｍ、少なくとも６０μｍ、少なくとも７０μｍ、少なくとも８０μｍ、少なくとも９０μｍ、少なくとも１００μｍ、少なくとも２００μｍ、少なくとも３００μｍ、少なくとも４００μｍ、少なくとも５００μｍ、少なくとも６００μｍ、少なくとも７００μｍ、少なくとも８００μｍ、又は少なくとも９００μｍとすることができる。また、この範囲内では、ＬＤＣは、１ｍｍ以下、９００μｍ以下、８００μｍ以下、７００μｍ以下、６００μｍ以下、５００μｍ以下、４００μｍ以下、３００μｍ以下、２００μｍ以下、１００μｍ以下、９０μｍ以下、８０μｍ以下、７０μｍ以下、６０μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下、９μｍ以下、８μｍ以下、７μｍ以下、６μｍ以下、５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下、又は２μｍ以下とすることができる。ＬＤＣについて、上記範囲の組合せも可能である。
一態様では、ＬＤＳは１μｍ～１．５ｍｍとすることができる。この範囲内では、ＬＤＳは、少なくとも１μｍ、少なくとも２μｍ、少なくとも３μｍ、少なくとも４μｍ、少なくとも５μｍ、少なくとも６μｍ、少なくとも７μｍ、少なくとも８μｍ、少なくとも９μｍ、少なくとも１０μｍ、少なくとも２０μｍ、少なくとも３０μｍ、少なくとも４０μｍ、少なくとも５０μｍ、少なくとも６０μｍ、少なくとも７０μｍ、少なくとも８０μｍ、少なくとも９０μｍ、少なくとも１００μｍ、少なくとも２００μｍ、少なくとも３００μｍ、少なくとも４００μｍ、少なくとも５００μｍ、少なくとも６００μｍ、少なくとも７００μｍ、少なくとも８００μｍ、又は少なくとも９００μｍ、少なくとも１ｍｍ、少なくとも１．１ｍｍ、少なくとも１．２ｍｍ、少なくとも１．３ｍｍ、又は少なくとも１．４ｍｍとすることができる。また、この範囲内では、ＬＤＳは、１．５ｍｍ以下、１．４ｍｍ以下、１．３ｍｍ以下、１．２ｍｍ以下、１．１ｍｍ以下、１ｍｍ以下、９００μｍ以下、８００μｍ以下、７００μｍ以下、６００μｍ以下、５００μｍ以下、４００μｍ以下、３００μｍ以下、２００μｍ以下、１００μｍ以下、９０μｍ以下、８０μｍ以下、７０μｍ以下、６０μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下、９μｍ以下、８μｍ以下、７μｍ以下、６μｍ以下、５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下、又は２μｍ以下とすることができる。ＬＤＳについて、上記範囲の組合せも可能である。
一態様では、Ｗｃ／Ｗｓは、１～１０（つまり、１／１～１０／１）とすることができる。この範囲内では、Ｗｃ／Ｗｓは、少なくとも１、少なくとも１．１、少なくとも１．２、少なくとも１．３、少なくとも１．４、少なくとも１．５、少なくとも１．６、少なくとも１．７、少なくとも１．８、少なくとも１．９、少なくとも２、少なくとも２．１、少なくとも２．２、少なくとも２．３、少なくとも２．４、少なくとも２．５、少なくとも２．６、少なくとも２．７、少なくとも２．８、少なくとも２．９、少なくとも３、少なくとも３．５、少なくとも４、少なくとも５、少なくとも６、少なくとも７、少なくとも８、又は少なくとも９とすることができる。また、この範囲内では、Ｗｃ／Ｗｓは、１０以下、９以下、８以下、７以下、６以下、５以下、４以下、３．５以下、３以下、２．９以下、２．８以下、２．７以下、２．６以下、２．５以下、２．４以下、２．３以下、２．２以下、２．１以下、２以下、１．９以下、１．８以下、１．７以下、１．６以下、１．５以下、１．４以下、１．３以下、１．２以下、又は１．１以下とすることができる。Ｗｃ／Ｗｓについて、上記値の組合せも可能である。
図９及び図１０は、パターン化電極６１０を備えたエレクトロスイング吸着セル６００を示す。図９は、エレクトロスイング吸着セル６００の断面図を示し、一方、図１０は、パターン化電極６１０の正面図を示す。パターン化電極６１０は、電気活性種６３０が配置された導電性骨格６２０、電解質領域６４０、及びガス領域６５０を備えている。エレクトロスイング吸着セル６００は、更に、ガス流れ場６６０、第２の電極６７０、及びセパレータ６８０を備えている。一態様では、エレクトロスイング吸着セル６００は、パターン化電極６１０とガス流れ場６６０との間にガス拡散層６１５を備えていてもよい。
図９及び図１０に示すように、パターン化電極６１０は、寸法ＬＩ、ＷＧ、ＬＤ、及びＬＭを有している。ＬＩ、ＷＧ、及びＬＤは前記の通りとすることができる。
ＬＭは、セパレータ６８０を覆う電解質充填領域の長さを定義する。ＬＭは、ＬＤのおよそ半分とすることができる。一態様では、ＬＭは０～３０μｍとすることができる。この範囲内では、ＬＭは、少なくとも０μｍ、少なくとも１μｍ、少なくとも２μｍ、少なくとも３μｍ、少なくとも４μｍ、少なくとも５μｍ、少なくとも６μｍ、少なくとも７μｍ、少なくとも８μｍ、少なくとも９μｍ、少なくとも１０μｍ、少なくとも１１μｍ、少なくとも１２μｍ、少なくとも１３μｍ、少なくとも１４μｍ、少なくとも１５μｍ、少なくとも１６μｍ、少なくとも１７μｍ、少なくとも１８μｍ、少なくとも１９μｍ、少なくとも２０μｍ、少なくとも２１μｍ、少なくとも２２μｍ、少なくとも２３μｍ、少なくとも２４μｍ、少なくとも２５μｍ、少なくとも２６μｍ、少なくとも２７μｍ、少なくとも２８μｍ、又は少なくとも２９μｍとすることができる。また、この範囲内では、ＬＭは、３０μｍ以下、２９μｍ以下、２８μｍ以下、２７μｍ以下、２６μｍ以下、２５μｍ以下、２４μｍ以下、２３μｍ以下、２２μｍ以下、２１μｍ以下、２０μｍ以下、１９μｍ以下、１８μｍ以下、１７μｍ以下、１６μｍ以下、１５μｍ以下、１４μｍ以下、１３μｍ以下、１２μｍ以下、１１μｍ以下、１０μｍ以下、９μｍ以下、８μｍ以下、７μｍ以下、６μｍ以下、５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下、２μｍ以下、又は１μｍ以下とすることができる。また、上記ＬＭ値の組合せも可能である。
図１１は、パターン化電極７１０を備えたエレクトロスイング吸着セル７００の三次元表示を示す。パターン化電極７１０は、電解質領域７４０及びガス領域７５０を備えている。エレクトロスイング吸着セル７００は、更に、ガスチャネル７６２及びリブ７６４を備えたガス流れ場７６０を備えている。エレクトロスイング吸着セル７００は、更に、第２の電極７７０及びセパレータ７８０を備えている。一態様では、ガス領域７５０は、直線断面形状、例えば、長方形状又は角柱形状を有することができる。一態様では、ガスチャネル７６２は直方体形状を有することができる。図１１は縮尺どおりでない。例えば、リブ７６４及びチャネル７６２の幅は、先に説明した通り、ミリメートルのオーダーとすることができ、一方、ガス領域７５０及び電解質領域７４０の幅は、それぞれＷＧ及びＬＤによって示されている。
ガス領域７５０は、ガスチャネル７６２の向きに垂直配向されて、セパレータ７８０と平行なガスチャネル７６２からのガス流を促進する。この態様は、流れ場７６０が、導入口チャネルが排出口チャネルと交互になっているインターディジテイテッド型の流れ配列を有する場合、特に有利になり得る。例えば、図１１では、示された２つのチャネルのうちの１つは導入口チャネルになり、一方、他方は排出口チャネルになる。図１１は、セルの部分集合であることが理解され、セルは、複数の導入口チャネル及び排出口チャネルを備えていてもよい。図１１に示される構造では、ガス拡散層は、ガス領域を通ってガス対流を進めるために省略される。ガス拡散層の機能は、セル構成要素（電極、セパレータ、リブ、及び集電体）における製造厚さのばらつきに対応することができる圧縮可能な材料を提供することとすることができる。ガス拡散層を欠く実施形態では、リブは、導電性独立気泡成形体又はガスケットなどの圧縮可能な材料で構成されることは有利であり得る。
図１２は、パターン化電極６１０を備えたエレクトロスイング吸着セル６００を示す。パターン化電極６１０は、電気活性種６３０が配置された導電性骨格６２０を備えた電解質領域６４０、電解質領域内に配置された電解質６４５、及びガス領域６５０を備えている。エレクトロスイング吸着セル６００は、更に、ガス流れ場６６０、第２の電極６７０、セパレータ６８０、及びガス拡散層６１５を備えている。パターン化電極６１０は、ガス領域６５０を備えた電解質領域６４０をプリーツ加工する又はフォールディングすることによって組み立てることができる。図１２に示すように、ガス領域６５０を備えた電解質領域６４０をフォールディングすることによって、電解質領域と流れ場との間にガス領域６５０の層が形成される（例えば、電解質領域は流れ場と接触しない）。同様に、ガス領域６５０を備えた電解質領域６４０をフォールディングすることによって、ガス領域とセパレータとの間（例えば、ガス領域はセパレータと接触しない）の電解質領域６４０の層が形成される。また、カチオン移動距離ＬＩ及びガス領域ＷＧの幅が図１２に示されている。図１２に記載された、フォールディングされた又はプリーツ加工された電極構成について、ＷＧは、フォールディングされていない状態ＷＦでガス領域６５０の厚さの２倍とすることができる。パターン化電極６１０についての拡散長ＬＤが図１２に示されており、それは、フォールディングされていない状態ＬＭでの電解質領域６４０の厚さの２倍とすることができる。一態様では、ＬＩ、ＷＧ、及びＬＤは、図３及び図４に関して上記のように、それぞれＬＩ、ＷＧ、及びＬＤと同じ又は実質的に同様とすることができる。一態様では、ＷＧ及びＬＤは、ｚ方向で一定であってもよい。一態様では、ＷＧ及びＬＤは、ｚ方向で異なっていてもよい。
図１３は、パターン化電極－セパレータアセンブリー１６１０を備えたエレクトロスイング吸着セル１６００を示す。パターン化電極－セパレータアセンブリー１６１０は、電気活性種が配置された導電性骨格及び電解質を含む電解質領域１６４０、ガス領域１６５０、第２の電極１６７０、及びセパレータ１６８０を備えている。エレクトロスイング吸着セル１６００は、更に、ガス流れ場１６６０及び任意のガス拡散層１６１５を備えている。パターン化電極－セパレータアセンブリー１６１０は、セパレータ１６８０上に電解質領域１６４０を設置し、電解質領域１６４０上にガス領域１６５０を設置し、セパレータ１６８０の反対側に第２の電極１６７０を設置して電極－セパレータアセンブリー１６１０を提供することによって組み立てることができる。電極－セパレータアセンブリー１６１０は、プリーツ加工又はフォールディングすることができる。パターン化電極－セパレータアセンブリー１６１０は、次いで、ガス拡散層１６１５及び流れ場１６６０と組み合わせてセル１６００を提供することができる。
本開示によるエレクトロスイング吸着セルは、図１～図１３を参照して、上記特徴の任意の組合せを有することができる。例えば、流れ場設計の当業者は、実施形態の組合せが可能であることを認識するであろう。例えば、図１１のセルは、ガス領域に垂直に配向された流れチャネルを含み、図１２又は図１３の電解質領域６４０又は１６４０が、それぞれ図１１の流れチャネルに垂直に配向された状態で、図１２又は図１３のパターン化電極と組み合わせることができる。
上記パターン化電極を製造する方法は、本開示の他の態様を表す。一態様では、複数の電解質領域、複数のガス領域、及び導電性骨格を備える電極は、セパレータ又はガス拡散層上に複合材料を堆積し、複合材料は電解質を含み、導電性骨格は電気活性種で被覆され、複数の電解質領域及び複数のガス領域を含む電極を形成することによって製造することができる。
一態様では、犠牲キャリアフィルム又はセパレータ上に堆積された複合材料は、電気活性種、電子導電性粒子、電解質、及び犠牲ポロゲンを含むことができる。一態様では、複合混合物は双連続エマルジョンとすることができる。一態様では、堆積された複合材料は、電気活性種、電子導電性粒子、及び電解質の混合物を含むことができる。一態様では、複合材料は、電気活性種、架橋剤、導電性粒子、及びキャリア溶媒を含むことができる。一態様では、複合材料は、電解質と共にゲルを形成するための電気活性ポリマーを含むことができる。一態様では、電解質は、毛管作用によって複合材料に含めることができる。
堆積された複合材料は、電子導電性骨格を備えることができる。一態様では、電子導電性骨格は、電解質で非常に高い表面エネルギーを有することができる（例えば、電子導電性骨格は、疎イオン性になり得、例えば、電解質に湿潤性でない）。一態様では、電子導電性骨格は、電子導電性骨格上に印刷された１つ又は複数のインクを含むことができる。一態様では、第１のインクは、ゲルを形成するための電解質及び熱開始前駆体を含むことができる。一態様では、第１のインクは、キャリア溶媒に電気活性種を含むことができる。一態様では、第１のインクは、架橋剤と共に親イオン性活物質を含むことができる。一態様では、第２のインクは、犠牲細孔形成剤を含むことができる。一態様では、細孔形成剤は、低融点ワックスを含むことができる。一態様では、堆積された複合材料は、電気活性種で被覆され、ポリマー前駆体を含む電解質で充填された電子導電性骨格を含むことができる。
犠牲キャリアフィルム又はセパレータ上に複合材料を堆積することは、限定されないが、コーティング、スプレーコーティング、均一コーティング、スロットダイコーティング、グラビアコーティング、インクジェット印刷、３Ｄ印刷、押出し成形、複数の相の共押出し、又はそれらの任意の組合せを含めて一般に公知の様々な方法によって達成することができる。電極は、１つ又は複数のコーティング層を使用して組み立てることができる。一態様では、パターンは、コーティング、押出加工、又は２つのインクを印刷することによって形成することができ、１つのインクは、電子導電性骨格、活物質、電解質、及びゲル形成剤を含み、第２のインクは、犠牲ポロゲンを含む。一態様では、複合材料は、一様に疎イオン性電子導電性骨格の細孔に充填することができる。
一態様では、以上詳述したように、複合材料は、好ましくは、複合材料の一部を除去する前に、化学反応を任意に受けることができる。一態様では、化学反応は、疎イオン性の領域（つまり、電解質をはじく領域）、及び親イオン性の領域（つまり、電解質を引きつける領域）を形成することができる。一態様では、化学反応は、電解質と電気活性種との反応からゲルを形成することを含むことができる。一態様では、電気活性材料前駆体は、電気活性材料を形成するためにパターン化架橋を受けることができる。一態様では、架橋は複合材料の所望領域に架橋材料を生成するためだけに選択的に行うことができ、その結果、架橋されていない材料が除去することができる。一態様では、架橋は、例えば、紫外線（ＵＶ）放射、赤外線（ＩＲ）放射、熱放射、パターン化熱放射、化学試薬、又はそれらの任意の組合せによって誘起することができる。一態様では、熱の適用は、活物質前駆体を重合してゲルを形成することができる。一態様では、選択的架橋は、マスク、リソグラフィー、干渉パターン、パターン化熱放射、又はそれらの任意の組合せを使用することによって誘起することができる。一態様では、方法は、電解質及び電気活性種を試薬で処理して導電性骨格の細孔を満たすイオノゲルを形成することを含むことができる。
一態様では、電気活性種は、試薬と接触して疎イオン性となることができる。一態様では、試薬は、放射線（例えば、ＵＶ光、ｅ－ビーム、赤外線等による）又は化学試薬を含むことができる。試薬は、パターン化マスクを通って適用されて複合材料中に親イオン性領域及び疎イオン性領域のパターンを形成する（つまり、パターン化電極を形成する）ことができる。コーティングは、電気活性材料前駆体、架橋剤、導電性粒子、及びキャリア溶媒を含むことができる。一態様では、電気活性活物質前駆体は、上述したように、パターン化架橋を受けることができる。
方法は、試薬を複合材料に添加して第１の相及び第２の相を形成することを含み、パターン化電極を形成するために除去された複合材料の一部は第２の相である。第１の相は、架橋された電極材料を含むことができ、第２の相は、未架橋の電極前駆体を含む。試薬は、マスク、リソグラフィー、干渉パターン、パターン化熱放射、又はそれらの組合せによってパターン化構造で添加された架橋剤とすることができる。
方法は、複合材料の一部を除去してパターン化電極を形成することを含むことができる。これは、犠牲ポロゲンの除去を含むことができる。一態様では、犠牲ポロゲンは、例えば、蒸発、リンス溶解、分解、溶融、又は任意の適切な化学若しくは物理除去方法、又はそれらの組合せによって除去することができる。一態様では、複合材料の一部の除去は、レーザーアブレーション、リソグラフィー、機械的刻印、又はそれらの任意の組合せを含むことができる。一態様では、複合材料の一部の除去は、未架橋の電極前駆体を洗い流すが、架橋された活物質を除去しない溶媒で複合材料を濯ぐことを含むことができる。一態様では、複合材料の一部の除去は、熱を適用して犠牲細孔形成剤を蒸発させることを含むことができる。一態様では、複合材料の一部の除去は、犠牲細孔形成剤を溶解し、溶媒で濯ぐことを含むことができる。溶解によるポロゲンの除去は、以下の実施例に更に記載されている。
一態様では、化学反応ステップは、除去ステップと同時に部分的に又は完全に行うことができる。例えば、熱の適用は、犠牲細孔形成剤を蒸発させながら電解質中でゲル形成剤を同時に重合することができる。
一態様では、電解質は含まれることができ、又は複合材料と共に堆積することができる。一態様では、電解質は、複合材料の一部を除去した後に添加してパターン化電極を形成することができる。
一態様では、プリンターは、骨格の中に２つのインクでパターンを印刷することができる。第１のインクは、活物質及び親イオン性化合物を含むことができる。親イオン性化合物は、電気活性種と物理的に混合することができる。親イオン性化合物は、共重合によって電気活性ポリマーに組み込むことができる。第２のインクは、骨格の領域を疎イオン性にする疎イオン性化合物を含むことができる。骨格は親イオン性になり得る。一態様では、第１のインクは電気活性種を含むことができ、一方、第２のインクは骨格の領域を疎イオン性にする疎イオン性化合物を含むことができる。インクを備えた骨格は、複合材料の堆積に先立って、犠牲キャリアフィルム又はセパレータ上に配置することができる。骨格は、次いで、ガス流れ場及び対電極に結合されてエレクトロスイング吸着セルを形成することができる。
一態様では、複合材料の一部の除去は、細孔を後に残し得る。一態様では、細孔はガス充填細孔になり得る。一態様では、細孔は浸透ガス充填細孔になり得る。一態様では、細孔は空気充填細孔になり得る。一態様では、細孔は、円錐形状、円錐台形状、球形状、ストライプ形状、直方体形状、不規則形状、非晶質形状、又はそれらの任意の組合せを有することができる。
エレクトロスイング吸着セルを製造する方法は、本開示の他の態様を表す。
一態様では、エレクトロスイング吸着セルは、セパレータ上に複合材料を堆積し、複合材料は電解質及び電気活性種で被覆された導電性骨格を含み、複数の電解質領域及び複数のガス領域（例えば、第１のパターン化電極）を含む第１の電極を形成し、第１のパターン化電極に、ガス流れ場及び第２の電極を結合してエレクトロスイング吸着セルを提供することによって製造することができる。
一態様では、犠牲キャリアフィルム又はセパレータ上に堆積された複合材料は、電気活性種、電子導電性粒子、電解質、及び犠牲ポロゲンを含むことができる。一態様では、複合混合物は双連続エマルジョンになり得る。一態様では、堆積された複合材料は、電気活性種、電子導電性粒子、及び電解質の混合物を含むことができる。一態様では、複合材料は、電気活性種、架橋剤、導電性粒子、及びキャリア溶媒を含むことができる。一態様では、複合材料は、電解質と共にゲルを形成するための電気活性ポリマーを含むことができる。一態様では、電解質は、毛管作用によって複合材料に含めることができる。
堆積された複合材料は、電子導電性骨格を含むことができる。一態様では、電子導電性骨格は、電解質で非常に高い表面エネルギーを有し得る（例えば、電子導電性骨格は、疎イオン性になり得、例えば、電解質に湿潤性でない）。一態様では、電子導電性骨格は、電子導電性骨格上に印刷された１つ又は複数のインクを含むことができる。一態様では、第１のインクは、ゲルを形成するための電解質及び熱開始前駆体を含むことができる。一態様では、第１のインクは、キャリア溶媒に電気活性種を含むことができる。一態様では、第１のインクは、架橋剤を有する親イオン性活物質を含むことができる。一態様では、第２のインクは、犠牲細孔形成剤を含むことができる。一態様では、細孔形成剤は、低融点ワックスを含むことができる。一態様では、堆積された複合材料は、電気活性種で被覆され、ポリマー前駆体を含む電解質で充填された電子導電性骨格を含むことができる。
犠牲キャリアフィルム又はセパレータ上に複合材料を堆積することは、以上説明したように、限定されないが、コーティング、均一コーティング、スロットダイコーティング、グラビアコーティング、インクジェット印刷、３Ｄ印刷、押出し成形、複数の相の共押出し、又はそれらの任意の組合せを含めて一般に公知の様々な方法によって達成することができる。
一態様では、複合材料は、以上詳述したように、任意に好ましくは複合材料の一部の除去に先立って、化学反応を受けることができる。一態様では、電気活性種は、以上詳述したように、試薬にさらされると疎イオン性になり得る。方法は、以上詳述したように、更に、試薬を複合材料に添加して第１の相及び第２の相を形成することを含むことができ、パターン化電極を形成するために除去された複合材料の一部は、第２の相である。方法は、以上詳述したように、複合材料の一部を除去してパターン化電極を形成することを含むことができる。
複合材料の一部の除去は、細孔を後に残し得る。一態様では、細孔はガス充填細孔になり得る。一態様では、細孔は浸透ガス充填細孔になり得る。一態様では、細孔は空気充填細孔になり得る。一態様では、細孔は、円錐形状、円錐台形状、球形状、ストライプ形状、直方体形状、不規則形状、非晶質形状、又はそれらの任意の組合せを有することができる。
エレクトロスイング吸着セルを製造する方法は、更に、セパレータ、ガス流れ場、及び対電極にパターン化電極を結合してエレクトロスイング吸着セルを形成することを含む。
一態様では、プリーツ加工又はフォールディングされた構造を有する第１のパターン化電極を備えるエレクトロスイング吸着セルは、電気活性種で被覆された電解質及び第１の導電性骨格を含む複合層を提供し、ガス充填細孔を含む第２の導電性骨格を提供し、複合層に第２の複合層でプリーツ加工して第１のパターン化電極を提供し、第１のパターン化電極にガス流れ場、セパレータ、及び第２の電極を結合してプリーツ加工又はフォールディングされた構造を有するエレクトロケミカルスイング吸着セルを提供することによって提供することができる。
本開示によるパターン化電極及びエレクトロスイング吸着セルの製造方法は、図１４～図１９及び下記実施例に更に記載されている。
図１４は、エレクトロスイング吸着セルを形成する方法１２００を示す。方法１２００は、ステップ１２０１で犠牲キャリアフィルム上に複合材料を堆積することを任意に含む。方法１２００は、ステップ１２０２でセパレータ上に複合材料を堆積し、その後、キャリアフィルムを除去することを含む。方法１２００は、ステップ１２０３で複合材料を化学反応させることを任意に含む。方法１２００は、ステップ１２０４で複合材料の一部を除去してパターン化電極を形成すること、ステップ１２０５でパターン化電極にガス流れ場及び第２の電極を結合してセルを形成することを含む。
図１５は、エレクトロスイング吸着セルを形成する方法１３００を示す。方法１３００は、ステップ１３０１で犠牲キャリアフィルム上に複合材料を堆積することを任意に含む。方法１３００は、複合材料とセパレータと間に犠牲キャリアフィルム設け、又は設けることなく、ステップ１３０２でセパレータ上に複合材料を堆積することを含む。方法１３００は、ステップ１３０３で試薬を加えて複合材料中に疎イオン性及びイオン親和領域を誘起することを任意に含む。方法１３００は、ステップ１３０４でパターン化電極にガス流れ場及び対電極を結合してセルを形成することを含む。
図１６は、エレクトロスイング吸着セルを形成する方法１５００を示す。ステップ１５０１で、電気活性材料は導電性骨格と結合して多孔質複合体活性層を作製し、電解質領域として機能を果たすことができる。活性層の細孔は、ステップ１５０２で、電解質で充填することができる。任意に、このステップは、ゲル形成剤を含んでいてもよく、その後熱及び／又はＵＶ光で処理してゲル電解質を形成する。活物質の層及びガス含有材料の層をプリーツ加工してパターン化電極を形成する。パターン化電極を、ステップ１５１０で作製された第２の電極、セパレータ、任意のガス拡散層、及び流れ場と共にセルにステップ１５２０で積層して、セルを提供することができる。
図１７は、エレクトロスイング吸着セルを形成する方法１９００を示す。ステップ１９０１で、電気活性材料は、導電性骨格材料と結合して電解質領域として機能することができる多孔質複合体活性層を作製する。活性層はセパレータ上に設置することができ、第２の電極はステップ１９０２で活性層の反対側に設置することができる。活性層、セパレータ、及び対電極の細孔は、ステップ１９０３で、電解質で充填することができる。電極－セパレータ－電極アセンブリーは、ステップ１９０４で、ガス含有材料の層でプリーツ加工してプリーツ状電極－セパレータアセンブリーを作製することができる。電極－セパレータアセンブリーは、ガス拡散層及び流れ場と共にセルにステップ１９２０で積層することができる。
エレクトロスイング吸着セルは、ガス混合物がエレクトロスイング吸着セルに接触した際のガス混合物からの標的ガスの分離に対して特に有用であることができ、よってガス分離システムにおける使用に対して特によく適している。ガス分離システムは、ガス導入口及びガス排出口に流体連通している複数のエレクトロスイング吸着セルを含む。
インプットガスとも呼ばれるガス混合物は、エレクトロスイング吸着セルへの曝露の際に少なくとも部分的に分離することができる。ガス混合物は、例えば、周囲空気（例えば、周囲環境からの空気、例えば、外気）であることができる。一態様では、ガス分離システムは直接的空気捕獲のために使用することができる。本明細書に記載されているシステム及び方法は、任意の予備濃縮工程を必要とすることなく、標的ガス、例えば、二酸化炭素を外気から直接除去すること（例えば、温室効果ガスレベルを減少させるため）に対して有用であることができる。本開示のある特定の態様は、本明細書に記載されているシステム及び方法を、特に直接的な空気の捕獲に対して有用にすることができる（例えば、外気の主成分、例えば、酸素と反応させることが熱力学的に嫌われている中で、標的ガスと結合する能力）。
一態様では、処理されるガス混合物（例えば、エレクトロスイング吸着セルへの曝露によりある量の標的ガスが除去されるガス混合物）中の標的ガスの量は、処理前の元のガス混合物中の標的ガスの量（単位：容量パーセント）の（例えば、エレクトロスイング吸着セルに曝露される前のガス混合物中の標的の量）の５０％未満又はこれに等しい、２５％未満又はこれに等しい、１０％未満又はこれに等しい、５％未満又はこれに等しい、２％未満又はこれに等しい、１％未満又はこれに等しい、０．５％未満又はこれに等しい、０．１％未満又はこれに等しい。一態様では、処理されるガス混合物中の標的ガスの量は、処理前の元のガス混合物中の標的ガスの量（単位：容量パーセント）の０．００１％超又はこれに等しい、０．００５％超又はこれに等しい、０．０１％超又はこれに等しい、０．０５％超又はこれに等しい、０．１％超又はこれに等しい、０．５％超又はこれに等しい、１％超又はこれに等しい、２％超又はこれに等しい、５％超又はこれに等しい。一態様では、ガス混合物中の標的ガスの濃度は、例えば、ガス混合物が周囲空気の場合、比較的に低い。例えば、エレクトロスイング吸着セルへの曝露前のガス混合物中の標的ガスの濃度は、５００ｐｐｍ未満若しくはこれに等しい、又は４５０ｐｐｍ未満若しくはこれに等しい、又は４００ｐｐｍ未満若しくはこれに等しい、又は３５０ｐｐｍ未満若しくはこれに等しい、又は３００ｐｐｍ未満若しくはこれに等しい、又は２００ｐｐｍ未満若しくはこれに等しくてもよい。一態様では、ガス混合物中の標的ガスの濃度は１００ｐｐｍまで低い、又は５０ｐｐｍまで低い、又は１０ｐｐｍまで低くてもよい。
一態様では、ガス混合物（例えば、インプットガス混合物）は換気された空気である。換気された空気は、封入された又は少なくとも部分的に封入された場所（例えば、空気は封入された場所の中で循環されている）の空気であることができる。ガス混合物（例えば、換気された空気）が位置し得る場所の例として、これらに限定されないが密閉した建築物、部分的に換気された場所、自動車キャビン、人のいる潜水艇、航空機、医療用及び個人用換気デバイスなどが挙げられる。
換気された空気中の標的ガスの濃度は、周囲空気より高くてよいが、工業プロセスに対して典型的な濃度より低くてもよい。一態様では、エレクトロスイング吸着セルへの曝露前のガス混合物中の標的ガスの濃度は、５，０００ｐｐｍ未満若しくはこれに等しい、又は４，０００ｐｐｍ未満若しくはこれに等しい、又は２，０００ｐｐｍ未満若しくはこれに等しい、又は１，０００ｐｐｍ未満若しくはこれに等しい。一態様では、ガス混合物中の標的ガスの濃度（例えば、換気された空気又は密閉空間中の空気である場合）は、１，０００ｐｐｍまで低い、又は８００ｐｐｍまで低い、又は５００ｐｐｍまで低い、又は２００ｐｐｍまで低い、又は１００ｐｐｍまで低い、又は１０ｐｐｍまで低い。
一態様では、ガス混合物は酸素ガス（Ｏ２）を含む。一態様では、ガス混合物は比較的高濃度の酸素ガスを有する（例えば、エレクトロスイング吸着セルへの曝露前）。本明細書に記載されているシステム及び方法のある特定の態様（例えば、特定の電気活性種の選択、システムにおけるガス取扱い方法など）は、酸素ガスが有害な妨害なく存在するガス混合物中の標的ガスを捕獲する能力に寄与することができる。一態様では、酸素ガスはガス混合物（例えば、エレクトロスイング吸着セルへの曝露前）中に、０容量％超若しくはこれに等しい、又は０．１容量％超若しくはこれに等しい、又は１容量％超若しくはこれに等しい、又は２容量％超若しくはこれに等しい、又は５容量％超若しくはこれに等しい、又は１０容量％超若しくはこれに等しい、又は２０容量％超若しくはこれに等しい、又は５０容量％超若しくはこれに等しい、又は７５容量％超若しくはこれに等しい、又は９０容量％超若しくはこれに等しい、９５容量％超若しくはこれに等しい濃度で存在する。一態様では、酸素ガスは、ガス混合物中に９９容量％未満若しくはこれに等しい、又は９５容量％未満若しくはこれに等しい、又は９０容量％未満若しくはこれに等しい、又は７５容量％未満若しくはこれに等しい、又は５０容量％未満若しくはこれに等しい、又は２５容量％未満若しくはこれに等しい、又は２１容量％未満若しくはこれに等しい、又は１０容量％未満若しくはこれに等しい、又は５容量％未満若しくはこれに等しい、又は２容量％未満若しくはこれに等しい濃度で存在する。
一態様では、ガス混合物は水蒸気を含む。ガス混合物は、例えば、それが周囲空気又は換気された空気であり、又は周囲空気又は換気された空気を含むため、水蒸気を含むことができる。一態様では、ガス混合物（例えば、エレクトロスイング吸着セルへの曝露前）は比較的に高い相対湿度を有する。例えば、一態様では、ガス混合物は、－５０～１４０℃の範囲の少なくとも１つの温度において、０％超若しくはこれに等しい、又は５％超若しくはこれに等しい、又は１０％超若しくはこれに等しい、又は２５％超若しくはこれに等しい、又は５０％超若しくはこれに等しい、又は７５％超若しくはこれに等しい、又は９０％超若しくはこれに等しい相対湿度を有することができる。一態様では、ガス混合物は、－５０～１４０℃の範囲の少なくとも１つの温度において、１００％未満若しくはこれに等しい、又は９５％未満若しくはこれに等しい、又は９０％未満若しくはこれに等しい、又は７５％未満若しくはこれに等しい、又は５０％未満若しくはこれに等しい、又は２５％未満若しくはこれに等しい、又は１０％未満若しくはこれに等しい相対湿度を有することができる。
標的ガスは、ガス分離システムのエレクトロスイング吸着セルの全域に電位差を適用することにより、ガス分離システム内でガス混合物から分離することができる。当業者は、本開示のメリットと共に、エレクトロスイング吸着セルの全域にどのように電位を加えるのか理解している。例えば、電位は、負極及び正極を、負極及び正極を分極させることが可能な適切な電源に接続することにより加えることができる。一態様では電源はＤＣ電圧であることができる。適切な電源の非限定的例として、電池、電力系統、回生電力（例えば、風力発電装置、太陽電池、潮汐発電装置）、発電機など、及びこれらの組合せが挙げられる。
電位差は、ガス混合物がエレクトロスイング吸着セルに曝露されている時間の少なくとも一部分の間にエレクトロスイング吸着セルに加えることができる。一態様では、電位差は、ガス混合物のエレクトロスイング吸着セルへの曝露前に加えることができる。
投入モード中のエレクトロスイング吸着セルへの正電圧の適用の結果として、負極においてレドックス反応が生じ、ここで電気活性種が還元される。本明細書中で論じたように、電気活性種は、それが酸化状態にある場合と比べて、それが還元状態にある標的ガスに対してより高い親和性を有するように選択される。電気活性種を還元し、第１の電極全域にわたりガス混合物を通すことによって、標的ガスは電気活性種に結合することができる。このような方式で、標的ガスは、ガス混合物から除去されて、処理されたガス混合物（例えば、最初のガス混合物と比べてより少量の標的ガスを含む）を得ることができる。
投入モードの間、エレクトロスイング吸着セルの全域に適用される電位差は特定の電圧を有することができる。エレクトロスイング吸着セルの全域に適用される電位差は、例えば、第１の電気活性種の少なくとも１つの還元状態を生成するための還元電位、並びに第２の電極における電気活性種の還元状態と酸化状態との間の相互変換のための標準電位に依存し得る。電圧は、スタックの電気化学的抵抗性を掛けた電流を更に含む。一態様では、電位差は少なくとも０Ｖ、又は少なくとも０．１Ｖ、又は少なくとも０．２Ｖ、又は少なくとも０．５Ｖ、又は少なくとも０．８Ｖ、又は少なくとも１．０Ｖ、又は少なくとも１．５Ｖである。一態様では、電位差は２．０Ｖ未満若しくはこれに等しい、又は１．５Ｖ未満若しくはこれに等しい、又は０．５Ｖ未満若しくはこれに等しい、又は０．２Ｖ未満若しくはこれに等しい。
一態様では、第１の電極の電気活性種がキノンを含む場合、電気活性種は、その還元状態の少なくとも１つへと還元することができる：
一態様では、第１の電極の電気活性種がキノンを含み、電気活性種が標的ガス、例えば二酸化炭素の存在下で還元される場合、還元型形態の電気活性種は二酸化炭素と結合することができる：
一態様では、電気活性種が第１の電極において還元される一方で、第２の電気活性種（例えば、レドックス活性のあるポリマー、例えば、ポリビニルフェロセン）は第２の電極で酸化される。投入モードの間、第２の電気活性種の酸化は、第１の電気活性種の還元を推進するための電子の供給源を提供する。
上記に示されている例示的な反応は１つの方向において生じることが示されているが、一部の可逆性が示され得ることを理解されたい。類似の反応が、当業者により理解されているような異なる電気活性種により生じてもよい。
一態様では、比較的多量の標的ガスが、本明細書に記載されているプロセスの間にガス混合物から除去される。比較的多量の標的ガスを除去することは、場合によっては、様々な用途のいずれか、例えば、大気に放出された場合、環境の理由で有害となり得るガスを捕獲することに対して有益であり得る。例えば、標的ガスは、二酸化炭素を含むことができ、比較的に多量の二酸化炭素をガス混合物から除去することは、プロセスの温室効果ガスの影響を限定する（例えば、工業プロセス又は輸送プロセス）又は室内若しくは大気中の二酸化炭素の量を更に減少させるため（加熱及び空気調整プロセスのための熱力学的理由により又は環境的理由のいずれか）のいずれかに有益となり得る。
一態様では、第２の電位差は、少なくとも一部分の標的ガスが電気活性種に結合した後、エレクトロスイング吸着セルの全域に加えることができる。第２の電位差は第１の電位差と異なってもよい。一態様では、第２の電位差の適用は、電気活性種に結合した標的ガスの一部分又はすべてを放出して、第２の処理されたガス混合物を生成する工程を結果として生じる。第２の処理されたガス混合物は、インプットガス混合物よりも多くの量の標的ガスを有することができる。例えば、標的ガスは、その容量パーセントが、第１のガス混合物の量より１０％高い、２０％高い、５０％高い、１００％高い、２００％高い、１０００％高い、及び／又は最大２，０００％高い、５，０００％高い、１０，０００％高い、又はそれよりも高くなるような量で第２の処理されたガス混合物中に存在してもよい。
ガス分離システムは、各エレクトロスイング吸着セルの負極及び正極の全域に電位差を加えるように構成された、各エレクトロスイング吸着セルの負極及び正極を電源に接続している外部回路を含むことができる。ガス分離システムのエレクトロスイング吸着セルのそれぞれは、上に記載されている通りであることができる。ガス分離システムのエレクトロスイング吸着セルは平行又は直列を含む、当技術分野で一般的に公知の様々な構成に従いスタックすることができる。
一態様では、ガス分離システムは第１のセットのエレクトロスイング吸着セル及び第２のセットのエレクトロスイング吸着セルを含む。第１のセット及び第２のセットのそれぞれは本開示全体にわたり記載されている１種又は複数のエレクトロスイング吸着セルを含むことができる。第１及び第２のセットは、１つのセットのセルが投入モードで作動し、ガス混合物から標的ガス（例えば、ＣＯ２）を捕獲する一方で、別のセットのセルが排出モードで作動して、標的ガス（例えば、ＣＯ２）を放出するように、交互の形式で平行して作動させるようにすることができる。システムは、エレクトロスイング吸着セルのセットのそれぞれに対して別個の筺体を含むことができる。システムは、所望の方式で流れを方向づけるために配置された導管及びバルブを更に含むことができる。ガス分離システムは、ガス混合物（例えば、ガス流）のほぼ連続的な分離を可能にすることができ、ガス混合物は所与の瞬間において、投入／捕獲モードで作動するセットのセルへと方向づけられる一方で、別個の標的ガスを豊富に含む処理された混合物が、排出／放出モードで作動する他のセットのセルにより生成される。更に、用途の必要性に従い、追加のセットのエレクトロスイング吸着セルを平行して又は直列に加えることもできる。
ガス混合物（例えば、ガス流例えば、入力ガス流）は、特定の流速でガス分離システムに導入することができる。一態様では、流速は、０．００１Ｌ／秒超若しくはこれに等しい、０．００５Ｌ／秒超若しくはこれに等しい、０．０１Ｌ／秒超若しくはこれに等しい、０．０５Ｌ／秒超若しくはこれに等しい、０．１Ｌ／秒超若しくはこれに等しい、０．５Ｌ／秒超若しくはこれに等しい、１Ｌ／秒超若しくはこれに等しい、５Ｌ／秒超若しくはこれに等しい、１０Ｌ／秒超若しくはこれに等しい、１０ ５０Ｌ／秒超若しくはこれに等しい、又は１００Ｌ／秒超若しくはこれに等しくてもよい。一態様では、ガス混合物の流速（例えば、ガス流、例えば、入力ガス流）は、５００Ｌ／秒未満若しくはこれに等しい、４００Ｌ／秒未満若しくはこれに等しい、３００Ｌ／秒未満若しくはこれに等しい、２００Ｌ／秒未満若しくはこれに等しい、１００Ｌ／秒未満若しくはこれに等しい、５０Ｌ／秒未満若しくはこれに等しい、１０Ｌ／秒未満若しくはこれに等しい、１Ｌ／秒未満若しくはこれに等しい、０．５Ｌ／未満若しくはこれに等しい、又は０．１Ｌ／秒未満若しくはこれに等しくてもよい。
一態様では、標的ガスを放出する工程の間又はその後で、本方法は、真空条件をエレクトロスイング吸着セルに適用して、エレクトロスイング吸着セルから放出された標的ガスの少なくとも一部分又はすべてを除去することを更に含む。当業者は、本開示のメリットと共に、エレクトロスイング吸着セルに真空条件を適用させるのに適した技術及び装置を理解している。例えば、真空ポンプは、エレクトロスイング吸着セルのガス排出口に流体的に接続することができる。真空ポンプを作動させて、エレクトロスイング吸着セル床と、ダウンストリームの位置との間に負圧の差を生成することができる。この真空条件は、上記に記載されている放出工程の間に放出された標的ガスを、エレクトロスイング吸着セルから流出させるだけの十分な力を提供することができる。真空条件は、標的ガスの放出中又は放出後のエレクトロスイング吸着セル内側の圧力が、７６０トル未満若しくはこれに等しい、７００トル未満若しくはこれに等しい、５００トル未満若しくはこれに等しい、１００トル未満若しくはこれに等しい、５０トル未満若しくはこれに等しい、１０トル未満若しくはこれに等しい、及び／又は５トルまで低い、１トルまで低い、０．５トルまで低い、０．１トルまで低くなるように加えることができる。
一態様では、第１の電極の複合体は、標的ガス（例えば、ＣＯ２）を吸収するための特定の能力を有する。例えば、複合体は、１平方メートル（モル／ｍ２）当たり少なくとも０．０１モル、少なくとも０．０２モル／ｍ２、少なくとも０．０５モル／ｍ２以上の吸収力を有することができる。一態様では、複合体は、０．２モル／ｍ２未満若しくはこれに等しい、０．０８モル／ｍ２未満若しくはこれに等しい、０．０５モル／ｍ２未満若しくはこれに等しい、０．０３モル／ｍ２未満若しくはこれに等しい、又はこれ未満の吸収力を有することができる。例えば、複合体は、少なくとも０．０１モル／ｍ２及び０．２モル／ｍ２未満若しくはこれに等しい、又は少なくとも０．０２モル／ｍ２及び０．０８モル／ｍ２未満若しくはこれに等しい吸収力を有することができる。
一態様では、第１の電極の複合体は、ガス混合物に曝露される、例えば、５ｃｍ２超若しくはこれに等しい、８ｃｍ２超若しくはこれに等しい、１０ｃｍ２超若しくはこれに等しい、又は１００ｃｍ２まで、４００ｃｍ２まで、又はこれよりも大きな特定の表面積を有することができる。
システムの様々な構成要素、例えば、電極（例えば、負極、正極）、電源、電解質、セパレータ、容器、回路、絶縁性材料などは、様々な成分のいずれかから当業者により製作され得る。構成要素は、未焼結又は焼成状態で、成型、機械加工、押出し、圧縮、アイソプレス、印刷、浸潤、コーティングされるか、又は他のいずれか適切な技術により形成することができる。
本明細書に記載されている電極（例えば、負極、正極）は、任意の適切なサイズ又は形状であることができる。形状の非限定的例として、シート、立方体、円柱、中空管、球などが挙げられる。電極は、これらが使用される用途に応じて（例えば、換気された空気からのガスの分離、直接的な空気捕獲など）、任意の適切なサイズであってよい。更に、電極は、電極を別の電極、電源、及び／又は別の電気デバイスに接続する手段を含むことができる。当業者は、本明細書のシステムの構成要素を形成するための技術を容易に認識している。
システムの様々な電気的構成要素は、接続のための手段により少なくとも１つの他の電気的構成要素と電気的に連通していてもよい。接続のための手段は、電気の流れが第１成分と第２成分との間に生じることを可能にする任意の材料であることができる。２つの電気的構成要素を接続するための手段の非限定的例は、導電材料（例えば、銅、銀など）を含むワイヤーである。一態様では、システムは２種以上の構成要素（例えば、ワイヤーと電極）の間の電気コネクターを含むことができる。一態様では、接続のためのワイヤー、電気コネクター、又は他の手段は、材料の抵抗性が低いように選択することができる。一態様では、抵抗性は、システムの電極、電解質、又は他の構成要素の抵抗性より実質的に低くてもよい。
本明細書に記載されているエレクトロスイング吸着セル、システム、及び方法は様々な用途に導入することができる。以下の態様は用途のいくつかの非限定的例を提供する。一態様では、本明細書に記載されているシステム及び方法は、周囲空気、並びに密閉空間、例えば、気密建築物、自動車キャビン（換気のために流入する空気の加熱コストを削減する）並びにＣＯ２レベルの増加が大惨事となり得る潜水艦及び宇宙カプセルから標的ガス（例えば、ＣＯ２）を除去するためのものであることができる。電力業界を対象とする態様では、システム及び方法は、異なる濃度での燃焼後、二酸化炭素を捕獲するために使用することができる。一態様では、システム及び方法は、標的ガスを工業排煙又は工業用処理ガスから分離するのに適している。また、システム及び方法は、排煙から二酸化硫黄及び他のガスを捕獲するために使用することもできる。油及びガス業界を対象とする態様では、開示されたシステム及び方法は、二酸化炭素及び他のガスを、様々なプロセスから捕獲し、これらを迂回させて、ダウンストリームで圧縮又はプロシングするために使用することができる。開示されたシステム及び方法は、穏やかな及び冷たい気候において温室を温めるために使用される燃焼中の天然ガスから二酸化炭素を捕獲し、次いで捕獲された二酸化物を温室に迂回させて、植物が光合成に使用するよう、即ち、植物を養うために適用することができる。
よって、パターン化電極を含むエレクトロスイング吸着セルは、特にガス分離システムの改善に関して、著しい改善を意味する。
（実施例１）
プリーツ加工電極を有するエレクトロスイング吸着セルによるＣＯ２吸着のシミュレーション
活性層は、２５体積パーセント（ｖｏｌ％）のカーボンナノチューブ、カーボンナノチューブの表面上に配置された１０ｖｏｌ％のポリ（フェニルナフトキノン）（ＰＰＮＱ）、及び６５体積％のゲル電解質を含む。電解質は、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＩＭ－ＴＦＳＩ）イオン性液体を含む。電解質は、イオン性液体を固定化するためのゲル形成剤としてポリ（エチレングリコール）ジアクリレート（ＰＥＧＤＡ）を更に含む。ＢＭＩＭ－ＴＦＳＩ対ＰＥＧＤＡの質量比は、９０：１０である。カーボンナノチューブは、Ｎａｎｏｃｏｍｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｉｎｃ社から市販のＭＩＲＡＬＯＮ（商標）等、マットの形態である。活性層厚は、２マイクロメートルである。
プリーツ加工電極を有するエレクトロスイング吸着セルによるＣＯ２吸着のシミュレーション
活性層は、２５体積パーセント（ｖｏｌ％）のカーボンナノチューブ、カーボンナノチューブの表面上に配置された１０ｖｏｌ％のポリ（フェニルナフトキノン）（ＰＰＮＱ）、及び６５体積％のゲル電解質を含む。電解質は、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＢＭＩＭ－ＴＦＳＩ）イオン性液体を含む。電解質は、イオン性液体を固定化するためのゲル形成剤としてポリ（エチレングリコール）ジアクリレート（ＰＥＧＤＡ）を更に含む。ＢＭＩＭ－ＴＦＳＩ対ＰＥＧＤＡの質量比は、９０：１０である。カーボンナノチューブは、Ｎａｎｏｃｏｍｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｉｎｃ社から市販のＭＩＲＡＬＯＮ（商標）等、マットの形態である。活性層厚は、２マイクロメートルである。
空気が充填された細孔を有するナノチューブマットの第２の層は、活性層上に置かれる。このスペーサー層の厚さは、２マイクロメートルであり、それは７０ｖｏｌ％のガス体積分率を有する。活性層及びガス層は、一緒にプリーツ加工されている。プリーツ高さ（例えば、図１２におけるＬＩ）は、１５０マイクロメートルである。プリーツ加工電極は、１６ミクロンの厚さであると共に約４０ｖｏｌ％の多孔度を有するミクロ細孔性のポリプロピレンセパレータ上に置かれる。カーボンナノチューブ及びポリ（ビニルフェロセン）を含む対電極は、セパレータの反対側に置かれる。セパレータ及び対電極の細孔は、ＢＭＩＭ－ＴＦＳＩ及びＰＥＧＤＡを含む電解質で充填される。
室温で流れる空気からＣＯ２を吸着する実施例１のセルの性能をシミュレーションした。シミュレーションにおいて、両方の気相における及び電解質相中に溶解させたＣＯ２の濃度は、フィックの拡散法則によって支配されると理解される。電解質と気相との間の界面における電解質中のＣＯ２濃度は、気相と平衡状態であると想定される。カソード電位の吸着性電極への適用は、吸着性材料の還元をもたらす電気化学的電流を駆動する。電流分布は、多孔質電極理論を用いてモデル化される。動力学的抵抗性のイオン及び電子抵抗に対する比は、１よりも大きいので、反応率分布は、活性層にわたってかなり均一である。還元された材料は、電解質からＣＯ２を吸着し、それによって、電解質におけるＣＯ２の濃度を低減することができ、これは、ガスから電解質中へのＣＯ２の溶解を駆動する。吸着動態は、ＣＯ２拡散率に相対して十分に速いので、還元された吸着剤は、隣接している電解質におけるＣＯ２濃度がゼロを超えるならばＣＯ２を迅速に吸着する。ガスは、ガス導入口チャネルから該システムに入り、ガス拡散層及びガス領域を通る拡散及び対流を介して輸送し、電解質相中への溶解を介して反応し、ガス排出口チャネルを通って出る。ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓソフトウェアを使用して、２－Ｄシミュレーションを実施した。ＢＭＩＭ－ＴＦＳＩ電解質におけるＣＯ２の拡散率は、内容が参照によりそれ全体で本明細書に組み込まれるＹｉｎｇ Ｈｏｕ ａｎｄ Ｒｕｔｈ Ｅ． Ｂａｌｔｕｓ、Ｉｎｄ， Ｅｎｇ， Ｃｈｅｍ， Ｒｅｓ． ２００７ 第４６巻、第２４号 ８１６６～８１７５ページ、「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙ ｏｆ ＣＯ２ ｉｎ ｒｏｏｍ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｏｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｔｈｉｎ－ｌｉｑｕｉｄ－ｆｉｌｍ ｍｅｔｈｏｄ」に従って測定された場合に６．４ｅ－１０ｍ２／ｓであった。純粋な電解質における拡散率は、Ｂｒｕｇｇｅｍａｎ関連によって予測される通り、活性複合体における有効な拡散率を概算するために（電解質体積分率）１．５によって乗算される。ＢＭＩＭ－ＴＦＳＩにおけるＣＯ２の平衡濃度についてのヘンリー則定数は、内容が参照によりそれ全体で本明細書に組み込まれるＪａｖｉｄ Ｓａｆａｒｏｖ、Ｒｅｎａ Ｈａｍｉｄｏｖａ、Ｍａｒｔｉｎ Ｓｔｅｐｈａｎ、Ｎｏｒｂｅｒｔ Ｓｃｈｍｏｔｚ、Ｉｓｍａｉｌ Ｋｕｌ、Ａｓｔａｎ Ｓｈａｈｖｅｒｄｉｙｅｖ、ａｎｄ Ｅｇｏｎ Ｈａｓｓｅｌ、Ｊ Ｃｈｅｍ Ｔｈｅｒｍ ２０１３第６７巻 １８１～１８９ページ、「Ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ ｉｎ １－ｂｕｔｙｌ－３－ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ－ｂｉｓ（ｔｒｉｆｌｕｏｒｍｅｔｈｙｌｓｕｌｆｏｎｙｌ）ｉｍｉｄｅ ｏｖｅｒ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ」に従って測定された場合に２９バールであった。空気中におけるＣＯ２の拡散率は、１．６×１０－５ｍ２／ｓである。ＣＯ２の導入口モル分率は４００ｐｐｍであり、導入口圧力は１バールであった。ＣＯ２の導入口流速は、反応によって消費されたＣＯ２の量の２倍であり、その結果、ＣＯ２の排出口濃度は、導入口濃度のそれの半分となる。
図１８は、活性領域における電解質及び気相の両方におけるＣＯ２の濃度を示し；対電極、流れ場チャネル、及びガス拡散層のほとんどは、明確にするために示されていない。ガス相ＣＯ２濃度は、プリーツ加工電極に隣接するガス拡散層において０．００７５ｍｏｌ／ｍ３であり、セパレータに最も近いガス領域において０．００４６ｍｏｌ／ｍ３未満に落ちる。ガス領域におけるより低いＣＯ２濃度の結果として、電解質中へのＣＯ２溶解は低減され、これが、プリーツの底における活性材料の利用を制限する。
図１９は、典型的な周囲空気（４００ｐｐｍのＣＯ２、２０℃）の組成を有する導入口ガスについて、異なるプリーツ加高さ、スペーサー層の厚さ、及び排出口濃度（これは、適用される電流に相対するガス流速によって決定される）に関してシミュレーションされたＣＯ２の最大流動（充電時の１時間当たりの見かけ面積当たりのＣＯ２のグラムで、ｇＣＯ２／ｍ２／ｈｃｈａｒｇｅ）を示す。１５０マイクロメートル未満のプリーツ高さに関して、流動は、主に、２マイクロメートル厚の活性層にわたって電解質内のＣＯ２の拡散によって制限される。プリーツ高さを増加させることは、より大きい面積の電解質にわたってＣＯ２輸送を展開することによって、より高い流動を可能にする。１５０マイクロメートルを超えると、増加するプリーツ高さで流動のさらなる増加はない。理論によって束縛されることを望まないが、ガス相拡散が性能を制限しているので流動は更に増加しないと理解され、図１８に示されている結果と一致する。その上、プリーツの底におけるガス相濃度は、拡散によって低く駆動されるので、ガス拡散層から離れた１５０マイクロメートル超の吸着性材料は、有効に利用されることがない。
（比較例１）
ＰＰＮＱ－ＣＮＴマット複合電極を用いるＣＯ２流動の評価
ポリ（フェニルナフトキノン）（ＰＰＮＱ）をミリリットル当たり１０ミリグラムの濃度でテトラヒドロフラン中に溶解させた。１５マイクロメートル厚のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）マット、Ｎａｎｏｃｏｍｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｉｎｃ．社から市販のＭｉｒａｌｏｎ（商標）を密閉バイアルの中のＰＰＮＱの溶液中に浸し、室温で１時間から７２時間の間放置した。マット試料を次いでバイアルから除去し、浸漬プロセスのために使用した同じ溶媒を使用して濯ぎ、次いで、減圧下で６０～８０℃の温度で少なくとも１２時間の間乾燥させた。ポリマー溶液中に浸した後のＣＮＴマット片の質量を、そのままのＣＮＴマットの初期質量と比較した。各溶液に関して、ＰＰＮＱの量は、約０．１ｍｇ／ｃｍ２、例えば、ＣＮＴマットの平方インチ当たりポリマー０．１から０．５ミリグラムであった。ＰＰＮＱ－ＣＮＴマット複合電極を次いで、１．９８ｃｍ２のディスクにカットし、ポリ（ビニルフェロセン）－ナノチューブ対電極、Ｃｅｌｇａｒｄ ３４０１セパレータ、並びに電極及びセパレータの細孔を充填するｇＣＯ２／ｍ２／ｈｃｈａｒｇｅ－ＴＦＳＩ電解質を有するセルに組み立てた。電極においてガス領域がない、この平面の形状において、ＣＯ２の流動は、室温流れる空気で０．２ｇＣＯ２／ｍ２／ｈｃｈａｒｇｅであった。
ＰＰＮＱ－ＣＮＴマット複合電極を用いるＣＯ２流動の評価
ポリ（フェニルナフトキノン）（ＰＰＮＱ）をミリリットル当たり１０ミリグラムの濃度でテトラヒドロフラン中に溶解させた。１５マイクロメートル厚のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）マット、Ｎａｎｏｃｏｍｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｉｎｃ．社から市販のＭｉｒａｌｏｎ（商標）を密閉バイアルの中のＰＰＮＱの溶液中に浸し、室温で１時間から７２時間の間放置した。マット試料を次いでバイアルから除去し、浸漬プロセスのために使用した同じ溶媒を使用して濯ぎ、次いで、減圧下で６０～８０℃の温度で少なくとも１２時間の間乾燥させた。ポリマー溶液中に浸した後のＣＮＴマット片の質量を、そのままのＣＮＴマットの初期質量と比較した。各溶液に関して、ＰＰＮＱの量は、約０．１ｍｇ／ｃｍ２、例えば、ＣＮＴマットの平方インチ当たりポリマー０．１から０．５ミリグラムであった。ＰＰＮＱ－ＣＮＴマット複合電極を次いで、１．９８ｃｍ２のディスクにカットし、ポリ（ビニルフェロセン）－ナノチューブ対電極、Ｃｅｌｇａｒｄ ３４０１セパレータ、並びに電極及びセパレータの細孔を充填するｇＣＯ２／ｍ２／ｈｃｈａｒｇｅ－ＴＦＳＩ電解質を有するセルに組み立てた。電極においてガス領域がない、この平面の形状において、ＣＯ２の流動は、室温流れる空気で０．２ｇＣＯ２／ｍ２／ｈｃｈａｒｇｅであった。
（合成例１）
ポリマーイオン性液体の調製
ポリマーイオン性液体を図２０に示されている通りに及び以下の手順に従って合成した。ポリビニルベンジルクロリド（ＰＶＢｚＣｌ）（１０ｇ、Ｍｗ １００ｋＤａ）をＤＭＦ （５０ｍＬ）中に溶解させ、溶液を８０℃に加熱した。これに、Ｎ－ビニルイミダゾール（０．９３ｇ）を添加し、含有物を１８時間の間撹拌した。次いで、Ｎ－ブチルイミダゾール（８．１４ｇ）を添加し、含有物を更に１８時間の間撹拌した。室温に冷却した後、ポリマーを過剰の酢酸エチル沈殿させることで、ＰＩＬ－Ｃｌを得た。ＰＩＬ－Ｃｌを脱イオン水中に溶解させ、ＬｉＮＴｆ２の水溶液（２×モル当量）から沈殿させた。このプロセスをもう一度反復した。単離させたポリマーを脱イオン水で広範に洗浄し、真空オーブンの中にて５０℃で２４時間の間乾燥させることで、１５モルパーセントのビニル含有量を有するＰＩＬ－ＮＴｆ２が得られた。
ポリマーイオン性液体の調製
ポリマーイオン性液体を図２０に示されている通りに及び以下の手順に従って合成した。ポリビニルベンジルクロリド（ＰＶＢｚＣｌ）（１０ｇ、Ｍｗ １００ｋＤａ）をＤＭＦ （５０ｍＬ）中に溶解させ、溶液を８０℃に加熱した。これに、Ｎ－ビニルイミダゾール（０．９３ｇ）を添加し、含有物を１８時間の間撹拌した。次いで、Ｎ－ブチルイミダゾール（８．１４ｇ）を添加し、含有物を更に１８時間の間撹拌した。室温に冷却した後、ポリマーを過剰の酢酸エチル沈殿させることで、ＰＩＬ－Ｃｌを得た。ＰＩＬ－Ｃｌを脱イオン水中に溶解させ、ＬｉＮＴｆ２の水溶液（２×モル当量）から沈殿させた。このプロセスをもう一度反復した。単離させたポリマーを脱イオン水で広範に洗浄し、真空オーブンの中にて５０℃で２４時間の間乾燥させることで、１５モルパーセントのビニル含有量を有するＰＩＬ－ＮＴｆ２が得られた。
（合成例２）
ポリマーイオン性液体の調製
Ｎ－ビニルイミダゾールの量が１．５４ｇであり、Ｎ－ブチルイミダゾールの量が８．１４ｇであったことを除いて合成例１の手順に従って、ポリマーイオン性液体を合成し、２５モルパーセントのビニル含有量を有するＰＩＬ－ＮＴｆ２ポリマーが提供された。
ポリマーイオン性液体の調製
Ｎ－ビニルイミダゾールの量が１．５４ｇであり、Ｎ－ブチルイミダゾールの量が８．１４ｇであったことを除いて合成例１の手順に従って、ポリマーイオン性液体を合成し、２５モルパーセントのビニル含有量を有するＰＩＬ－ＮＴｆ２ポリマーが提供された。
（比較例２）
非パターン化電極の調製
多重壁のカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）（２．４ｇ）、０．２４ｇのＰＰＮＱ及び２ｍＬのＴＨＦをガラスバイアル中で合わせ、回転子／固定子（ＩＫＡ）を用いて２０分間２回１５，０００ｒｐｍで混合した。別に、合成例２のポリマーイオン性液体０．８６ｇを４ｍＬのＴＨＦ中に溶解させ、この溶液に、０．４６ｇのポリエチレングリコール（ＰＥＧ）分子量４００、及び０．７１ｇのＢＭＩＭ ＴＦＳＩイオン性液体を添加した。この溶液をＭＷＣＮＴ／ＰＰＮＱ分散体と組み合わせ、水０．２７ｇを添加した。該材料を１０ミルのドローダウンバー（ＢＹＫ Ｇａｒｄｉｎｅｒ社）で２８ＢＣ上にコーティングし、乾燥させておいた。コーティングの半分を真空オーブン内で乾燥させた。
非パターン化電極の調製
多重壁のカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）（２．４ｇ）、０．２４ｇのＰＰＮＱ及び２ｍＬのＴＨＦをガラスバイアル中で合わせ、回転子／固定子（ＩＫＡ）を用いて２０分間２回１５，０００ｒｐｍで混合した。別に、合成例２のポリマーイオン性液体０．８６ｇを４ｍＬのＴＨＦ中に溶解させ、この溶液に、０．４６ｇのポリエチレングリコール（ＰＥＧ）分子量４００、及び０．７１ｇのＢＭＩＭ ＴＦＳＩイオン性液体を添加した。この溶液をＭＷＣＮＴ／ＰＰＮＱ分散体と組み合わせ、水０．２７ｇを添加した。該材料を１０ミルのドローダウンバー（ＢＹＫ Ｇａｒｄｉｎｅｒ社）で２８ＢＣ上にコーティングし、乾燥させておいた。コーティングの半分を真空オーブン内で乾燥させた。
（実施例２）
パターン化電極の調製
比較例２のコーティングを水に３時間の間浸漬し、環境条件の中で及び次いで真空オーブン内で終夜乾燥させた。
パターン化電極の調製
比較例２のコーティングを水に３時間の間浸漬し、環境条件の中で及び次いで真空オーブン内で終夜乾燥させた。
それぞれ比較例２及び実施例２の非パターン化及びパターン化電極の流動を評価するため、電極を密閉試験器具において定電流及び定電位分析にかけた。３．８ｍｇのポリビニルフェロセンで作製された対電極、Ｃｅｌｇａｒｄ ３４０１セパレータの２つの層、及び合計６０μＬのＢＭＩＭ ＴＦＳＩ電解質を有する２ｃｍ２の電気化学セル中に、作用電極を組み立てた。各電気化学セルを６．５ｃｍ３の内部体積の密閉器具中に封入し、圧力トランスデューサーを取り付けた。該器具を貯蔵し、実験全体を、２５℃の固定温度を有する環境チャンバーにおいて実施した。ＣＯ２の捕捉を圧力低下によって３つのＣＯ２濃度（Ｎ２中１％、１０％及び１００％のＣＯ２）で評価した。
Ｔａｂｌｅ １（表１）に示されている通り、実施例２のパターン化電極を提供するために水に浸漬することは、ポリエチレングリコールの除去を容易にし、比較例２のコーティングに相対して、より高いＣＯ２流動値に至った。理論によって束縛されることを望むことなく、ポリエチレングリコールの除去は、ガス領域の形成を可能にし、それによって、流動を改善すると思われる。
（比較例３）
非パターン化電極の調製
多重壁のカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）（０．２７５ｇ）、０．０６８８ｇのＰＰＮＱ及び２ｇのＭＥＫをガラスバイアル中で合わせ、回転子／固定子（ＩＫＡ）を用いて２０分間２回１５，０００ｒｐｍで混合した。別に、合成例１のポリマーイオン性液体０．２７５ｇを４ｍＬのＭＥＫ中に溶解させ、この溶液に、０．６ｇのポリエチレングリコール（ＰＥＧ）分子量４００、及び０．２２ｇのＢＭＩＭ ＴＦＳＩイオン性液体を添加した。この溶液をＭＷＣＮＴ／ＰＰＮＱ分散体と組み合わせ、水０．２７ｇを添加した。該材料を１０ミルのドローダウンバー（ＢＹＫ Ｇａｒｄｉｎｅｒ社）で２８ＢＣ上にコーティングし、乾燥させておいた。コーティングの半分を真空オーブン内で乾燥させた。
非パターン化電極の調製
多重壁のカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）（０．２７５ｇ）、０．０６８８ｇのＰＰＮＱ及び２ｇのＭＥＫをガラスバイアル中で合わせ、回転子／固定子（ＩＫＡ）を用いて２０分間２回１５，０００ｒｐｍで混合した。別に、合成例１のポリマーイオン性液体０．２７５ｇを４ｍＬのＭＥＫ中に溶解させ、この溶液に、０．６ｇのポリエチレングリコール（ＰＥＧ）分子量４００、及び０．２２ｇのＢＭＩＭ ＴＦＳＩイオン性液体を添加した。この溶液をＭＷＣＮＴ／ＰＰＮＱ分散体と組み合わせ、水０．２７ｇを添加した。該材料を１０ミルのドローダウンバー（ＢＹＫ Ｇａｒｄｉｎｅｒ社）で２８ＢＣ上にコーティングし、乾燥させておいた。コーティングの半分を真空オーブン内で乾燥させた。
（実施例３）
パターン化電極の調製
比較例３のコーティングを水に４時間の間浸漬し、環境条件の中で及び次いで真空オーブン内で終夜乾燥させた。
パターン化電極の調製
比較例３のコーティングを水に４時間の間浸漬し、環境条件の中で及び次いで真空オーブン内で終夜乾燥させた。
それぞれ比較例３及び実施例３の非パターン化及びパターン化電極の流動を評価するため、電極を各々、密閉試験器具における定電流及び定電位分析にかけた。３．８ｍｇのポリビニルフェロセンで作製された対電極、Ｃｅｌｇａｒｄ ３４０１セパレータの２つの層、及び合計６０μＬのＢＭＩＭ ＴＦＳＩ電解質を有する２ｃｍ２の電気化学セル中に、作用電極を組み立てた。電気化学セルを６．５ｃｍ３の内部体積の密閉器具中に封入し、圧力トランスデューサーを取り付けた。該器具を貯蔵し、実験全体を、２５℃の固定温度を有する環境チャンバーにおいて実施した。ＣＯ２の捕捉を圧力低下によって３つのＣＯ２濃度（Ｎ２中１％、１０％及び１００％のＣＯ２）で評価し、流動は、ｇＣＯ２／ｍ２／ｈｃｈａｒｇｅの単位で報告されている。
Ｔａｂｌｅ ２（表２）に示されている通り、実施例３のパターン化電極を提供するために水に浸漬することは、ポリエチレングリコールの除去を容易にし、比較例３のコーティングに相対して、より高いＣＯ２流動値に至った。理論によって束縛されることを望むことなく、ポリエチレングリコールの除去は、ガス領域の形成を可能にし、それによって、１０％及び１００％のＣＯ２で流動を改善すると思われる。図２１は、Ｎ２中１０％のＣＯ２で実施例３のパターン化電極を含めたエレクトロスイング吸着セルに関する圧力低下及びセル電圧対時間のグラフを示す。時間の経過による圧力の減少は、エレクトロスイング吸着セルにおけるＣＯ２捕捉を示す。
（比較例４）
非パターン化電極の調製
ＬＩＴＸ（商標）３００ （Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐ．社）（０．６ｇ）、０．１５ｇのＰＰＮＱ及び４ｍＬのＴＨＦをガラスバイアル中で合わせ、回転子／固定子（ＩＫＡ）を用いて２０分間２回１５，０００ｒｐｍで混合した。別に、合成例２の０．６ｇのポリマーイオン性液体を４ｍＬのＴＨＦ中に溶解させ、この溶液に、１．２ｇのポリエチレングリコール（ＰＥＧ）分子量４００、及び０．４８ｇのＢＭＩＭ ＴＦＳＩイオン性液体を添加した。この溶液をＬＩＴＸ（商標）３００／ＰＰＮＱ分散体と組み合わせ、水０．２７ｇを添加した。該材料を１０ミルのドローダウンバー（ＢＹＫ Ｇａｒｄｉｎｅｒ社）でＭｉｒａｌｏｎ（商標）炭素繊維マット（Ｈｕｎｔｓｍａｎ Ｃｏｒｐ社）上にコーティングし、乾燥させておいた。コーティングの半分を真空オーブン内で乾燥させた。
非パターン化電極の調製
ＬＩＴＸ（商標）３００ （Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐ．社）（０．６ｇ）、０．１５ｇのＰＰＮＱ及び４ｍＬのＴＨＦをガラスバイアル中で合わせ、回転子／固定子（ＩＫＡ）を用いて２０分間２回１５，０００ｒｐｍで混合した。別に、合成例２の０．６ｇのポリマーイオン性液体を４ｍＬのＴＨＦ中に溶解させ、この溶液に、１．２ｇのポリエチレングリコール（ＰＥＧ）分子量４００、及び０．４８ｇのＢＭＩＭ ＴＦＳＩイオン性液体を添加した。この溶液をＬＩＴＸ（商標）３００／ＰＰＮＱ分散体と組み合わせ、水０．２７ｇを添加した。該材料を１０ミルのドローダウンバー（ＢＹＫ Ｇａｒｄｉｎｅｒ社）でＭｉｒａｌｏｎ（商標）炭素繊維マット（Ｈｕｎｔｓｍａｎ Ｃｏｒｐ社）上にコーティングし、乾燥させておいた。コーティングの半分を真空オーブン内で乾燥させた。
（実施例４）
パターン化電極の調製
比較例４のコーティングを水に６時間の間浸漬し、環境条件の中で及び次いで真空オーブン内で終夜乾燥させた。
パターン化電極の調製
比較例４のコーティングを水に６時間の間浸漬し、環境条件の中で及び次いで真空オーブン内で終夜乾燥させた。
前の実施例に記載されている通りに、流動を評価した。Ｔａｂｌｅ ３（表３）に示されている通り、水に浸漬することは、ポリエチレングリコールの除去を容易にして、実施例４のパターン化電極を提供し、比較例４のコーティングに相対して、より高いＣＯ２流動値に至った。理論によって束縛されることを望むことなく、ポリエチレングリコールの除去は、ガス領域の形成を可能にし、それによって、１％、１０％及び１００％のＣＯ２での流動を改善すると思われる。
（比較例５）
非パターン化電極の調製
合成例１のポリマーイオン性液体（１．２グラム）をＭＥＫ （１８グラム）中に溶解させた。この溶液に、ＭＷＣＮＴ （１．２グラム）及びＰＰＮＱ （０．３グラム）を添加した。結果として得られた混合物を、回転子／固定子（ＩＫＡ）を使用して２０分間、２回各２０，０００ｒｐｍでの剪断に、続いて、超音波処理４０分間にかけた。ＢＭＩＭ ＴＦＳＩ （０．９６グラム）を混合物に添加し、２０分間撹拌した。混合物を２０ミルのドローダウンバー（ＢＹＫ Ｇａｒｄｉｎｅｒ社）でＭＩＲＡＬＯＮ基体上にコーティングし、乾燥させておいた。
非パターン化電極の調製
合成例１のポリマーイオン性液体（１．２グラム）をＭＥＫ （１８グラム）中に溶解させた。この溶液に、ＭＷＣＮＴ （１．２グラム）及びＰＰＮＱ （０．３グラム）を添加した。結果として得られた混合物を、回転子／固定子（ＩＫＡ）を使用して２０分間、２回各２０，０００ｒｐｍでの剪断に、続いて、超音波処理４０分間にかけた。ＢＭＩＭ ＴＦＳＩ （０．９６グラム）を混合物に添加し、２０分間撹拌した。混合物を２０ミルのドローダウンバー（ＢＹＫ Ｇａｒｄｉｎｅｒ社）でＭＩＲＡＬＯＮ基体上にコーティングし、乾燥させておいた。
（実施例５）
パターン化電極の調製
コーティングを形成する前にナトリウムＹゼオライト（２．４グラム）を材料に添加したことを除いて比較例５と同じ手順に従って、パターン化電極を調製した。
パターン化電極の調製
コーティングを形成する前にナトリウムＹゼオライト（２．４グラム）を材料に添加したことを除いて比較例５と同じ手順に従って、パターン化電極を調製した。
前の実施例に記載されている通りに、ＣＯ２流動を評価した。ゼオライト粒子を含有する実施例５のパターン化電極に関する流動は、比較例５に関する流動に相対して、低いＣＯ２濃度（例えば、１％のＣＯ２）でより高いことが見出された。流動は、より高いＣＯ２濃度（例えば、１０％及び１００％）に関する比較例５のそれと同じであると観察された。１％、１０％及び１００％のＣＯ２での実施例５及び比較例５に関する流動は、Ｔａｂｌｅ ４（表４）に提供されている。
本開示は以下の非限定的な態様を更に包含する。
態様１：エレクトロスイング吸着セルのためのパターン化電極であって、複数の電解質領域、複数のガス領域、及び導電性骨格を含み、導電性骨格が複数の電解質領域に広がり、電気活性種が還元状態にある場合標的ガスと結合することが可能であり、電気活性種が酸化状態にある場合標的ガスを放出することが可能である電気活性種を含む、パターン化電極。
態様２：第１の電極が１５～５００マイクロメートルの厚さを有する、態様１に記載のパターン化電極。
態様３：電解質領域を介してパターン化電極中の活性部位までの標的ガス種の拡散長が１μｍ～１ｍｍである、態様１又は２に記載のパターン化電極。
態様４：複数の電解質領域及び複数のガス領域が規則的パターンを形成する、態様１～３のいずれかに記載のパターン化電極。
態様５：複数のガス領域が電極全体にわたりランダムに分散されている、態様１～３のいずれかに記載のパターン化電極。
態様６：複数のガス領域が１～１００マイクロメートルの寸法を有する、態様１～５のいずれかに記載のパターン化電極。
態様７：ガス領域がゼオライト粒子を含む、態様１～６のいずれかに記載のパターン化電極。
態様８：ゼオライト粒子が１～１００マイクロメートルの平均直径を有する、態様７に記載のパターン化電極。
態様９：ゼオライト粒子が合成ゼオライト、好ましくはゼオライトＡ、ゼオライトＸ、ゼオライトＹ、ゼオライトＬ又はこれらの組合せであり、より好ましくはゼオライトＹである、態様７又は８に記載のパターン化電極。
態様１０：第１の電極がプリーツ加工又はフォールディングの構成を有する、態様１～９のいずれかに記載のパターン化電極。
態様１１：電極が２つ以上の層を含む、態様１～１０のいずれかに記載のパターン化電極。
態様１２：導電性骨格が複数のガス領域に広がっている、態様１～１１のいずれかに記載のパターン化電極。
態様１３：複数のガス領域のそれぞれが平均直径を有し、平均距離で分離され、平均直径の平均距離に対する比が０．０１～０．５である、態様１～１２のいずれかに記載のパターン化電極。
態様１４：電解質領域がイオン性液体を含む電解質を含む、態様１～１３のいずれかに記載のパターン化電極。
態様１５：電解質領域がゲル又はポリマーを含む電解質を含む、態様１～１４のいずれかに記載のパターン化電極。
態様１６：電解質領域内の導電性骨格又はガス領域内の導電性骨格がカーボンナノチューブマットを含む、態様１～１５のいずれかに記載のパターン化電極。
態様１７：ガス領域内の導電性骨格がカーボンブラック及び結合剤を含む、態様１～１６のいずれかに記載のパターン化電極。
態様１８：複数の電解質領域のそれぞれが０．５～５０マイクロメートルの平均経路長を有する、態様１～１７のいずれかに記載のパターン化電極。
態様１９：電気活性種が電気活性ポリマー、電気活性オリゴマー、電気活性有機化合物、又はこれらの組合せを含む、態様１～１８のいずれかに記載のパターン化電極。
態様２０：電気活性種が、置換若しくは非置換のキノン若しくはテトロン、好ましくはベンゾキノン、１，４－ナフトキノン、１，２－ナフトキノン、アントラキノン、フェナントレンキノン、ベンズアントラキノン、ジベンゾアントラキノン、４，５，９，１０－ピレンテトロン、又はこれらの組合せ、或いは置換若しくは非置換のキノン若しくはテトロンから誘導される繰返し単位を含むポリマー若しくはオリゴマー、好ましくはベンゾキノン、１，４－ナフトキノン、１，２－ナフトキノン、アントラキノン、フェナントレンキノン、ベンズアントラキノン、ジベンゾアントラキノン、４，５，９，１０－ピレンテトロン、又はこれらの組合せから誘導される繰返し単位を含むポリマーを含む、態様１～１９のいずれかに記載のパターン化電極。
態様２１：態様１～２０のいずれかに記載のパターン化電極、補助電気活性複合層を含む第２の電極、及びパターン化電極と第２の電極との間のセパレータを含むエレクトロスイング吸着セル。
態様２２：パターン化電極、第２の電極、及びセパレータが一緒にフォールディング又はプリーツ加工されている、態様２１に記載のエレクトロスイング吸着セル。
態様２３：パターン化電極に隣接するガス流れ場を更に含み、ガス流れ場が流れ場チャネルを含む、態様２０又は２１に記載のエレクトロスイング吸着セル。
態様２４：流れ場チャネルが第１の電極のガス領域に垂直に配置されている、態様２３に記載のエレクトロスイング吸着セル。
態様２５：ガス流れ場が交互にかみ合わされた流れパターンを有する、態様２３又は２４に記載のエレクトロスイング吸着セル。
態様２６：ガス流れ場が複数のリブを含み、リブが圧縮性、導電性、及び不透過性の材料を含む、態様２３に記載のエレクトロスイング吸着セル。
態様２７：態様１～２０のいずれかに記載の、エレクトロスイング吸着セルのための電極を製造する方法であって、複合材料をセパレータ上に堆積させる工程であって、複合材料が電解質及び電気活性種をコーティングした導電性骨格を含む工程、並びに複数の電解質領域及び複数のガス領域を含むパターン化電極を形成する工程を含み、パターン化電極を形成する工程が、機械加工、リソグラフィー、エッチング、セルフアセンブリー、ポロゲンの除去又はこれらの組合せによるものである、方法。
態様２８：複合材料が、溶媒で加熱又は抽出することにより除去することが可能なポロゲンを含む、態様２７に記載の方法。
態様２９：複合材料をセパレータ上に堆積させる工程であって、複合材料が電解質及び電気活性種をコーティングした導電性骨格を含む工程、複数の電解質領域及び複数のガス領域を含むパターン化した第１の電極を形成する工程、並びにガス流れ場及び第２の電極をパターン化した第１の電極に結合して、エレクトロスイング吸着セルを得る工程を含む、エレクトロスイング吸着セルを製造する方法。
態様３０：第１のパターン化電極を形成する工程が、複合材料の一部分を除去して、複数の電解質領域及び複数のガス領域を形成する工程を含み、複合材料の一部分を除去する工程が、レーザーアブレーション、リソグラフィー、機械的刻印、機械加工、エッチング、ポロゲンの除去又はこれらの組合せによるものである、態様２９に記載の方法。
態様３１：電解質及び第１の電気活性種をコーティングした導電性骨格を含む複合層を提供する工程、ガスを充填した細孔を含む第２の導電性骨格を提供する工程、複合層を第２の複合層とともにプリーツ加工して、パターン化した第１の電極を得る工程、並びにガス流れ場及び第２の電極をパターン化した第１の電極に結合して、エレクトロスイング吸着セルを得る工程を含む、エレクトロスイング吸着セルを製造する方法。
態様３２：ガス導入口及びガス排出口に流体連通している複数のエレクトロスイング吸着セルを含むガス分離システムであって、複数のエレクトロスイング吸着セルのそれぞれが態様２１～２６のいずれかによるものである、ガス分離システム。
加えて、本開示は、現在記載されていない他の技術革新を含むことができる。出願人は、こうした技術革新を具体化する権利及びその追加出願、継続出願、一部継続出願、分割出願等を提出する権利を含めて、こうした技術革新におけるすべての権利を保有する。したがって、本開示の利点、実施形態、例、機能、特色、論理、操作、組織化、構造、形態、及び／又は他の態様は、実施形態によって定義されている通りの本開示に対する限定又は実施形態の均等物に対する限定と考えられるべきでないと理解されるべきである。
本明細書において定義されている及び使用されている通りのすべての定義は、辞書の定義、参照により組み込まれる文献における定義、及び／又は定義されている用語の通常の意味よりも優先されると理解されるべきである。
本明細書で使用される場合、特別な実施形態では、「約」又は「およそ」という用語は、数値に先行している場合、値プラス又はマイナス１０％の範囲を示す。値の範囲が提供されている場合、別段に文脈が明らかに指示していない限り、下限の単位の１０分の１に至るまでの、その範囲の上限及び下限の間に各々介在する値、並びにその明記されている範囲における任意の他の明記される又は介在する値は、本開示内に包含されると理解される。これらのより小さい範囲の上限及び下限が、独立して、より小さい範囲に含まれ得ることも、明記される範囲における任意の具体的に除外される限界を条件として本開示内に包含される。明記される範囲が限界の一方又は両方を含む場合、限界に含まれるそれらのいずれか又は両方を除外する範囲も、本開示に含まれる。
「及び／又は」という成句は、本明細書において及び実施形態において使用される場合、そのように結合されている要素、即ち、一部の場合において接続的に存在すると共に他の場合において離接的に存在する要素の「いずれか又は両方」を意味すると理解されるべきである。「及び／又は」と共に列記されている複数の要素は、同じ様に、即ち、そのように結合されている要素の「１つ又は複数」と解釈されるべきである。「及び／又は」節によって具体的に特定される要素以外に、具体的に特定されるそれらの要素に関連又は非関連であっても、他の要素が任意選択で存在する。したがって、非限定的な例として、「Ａ及び／又はＢ」への言及は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｎｇ）」等のオープンエンド言語と併せて使用される場合、一実施形態では、Ａのみ（任意選択で、Ｂ以外の要素を含む）；別の実施形態では、Ｂのみ（任意選択で、Ａ以外の要素を含む）；なお別の実施形態では、Ａ及びＢの両方（任意選択で、他の要素を含む）；等を指すことができる。
本明細書において及び実施形態において使用される場合、「又は」は、上記で定義されている通りの「及び／又は」と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、列記において項目を分離させる場合、「又は」又は「及び／又は」は、包含的であるとして、即ち、要素の数又は列記の少なくとも１つであるが１つ超も含めて、及び任意選択で、追加の列記されていない項目を含むと解釈されるものとする。「のただ１つ」若しくは「の正確に１つ」、又は実施形態において使用される場合、「からなる」等、それに反して明らかに示されている用語だけは、要素の数又は列記の正確に１つの要素の包含を指す。一般に、「又は」という用語は、本明細書で使用される場合、「いずれか」、「の１つ」、「のただ１つ」、又は「の正確に１つ」等、排他の用語によって先行される場合、排他的な代替（即ち、「一方又は他方であるが両方でない」）を示すとだけ解釈されるものである。「から必須になる」は、実施形態において使用される場合、特許法の分野において使用されている通りのそれの通常の意味を有するものとする。
本明細書において及び実施形態において使用される場合、「少なくとも１つ」という成句は、１つ又は複数の要素の列記への言及において、要素の列記における要素のいずれか１つ又は複数から選択される少なくとも１つの要素を意味するが、要素の列記内に具体的に列記されている各々及びあらゆる要素の少なくとも１つを必ずしも含めず、要素の列記における要素の任意の組合せを除外しないと理解されるべきである。この定義は、その上、具体的に特定されているそれらの要素に関連又は非関連であっても、「少なくとも１つの」という成句が指す要素の列記内で具体的に特定される要素以外に、要素が任意選択で存在し得ることを可能にする。したがって、非限定的な例として、「Ａ及びＢの少なくとも１つ」（又は同等に、「Ａ又はＢの少なくとも１つ」、又は同等に「Ａ及び／又はＢの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、少なくとも１つ、任意選択で１つ超のＡを含み、Ｂが存在しない（及び任意選択で、Ｂ以外の要素を含む）こと；別の実施形態では、少なくとも１つ、任意選択で１つ超のＢを含み、Ａが存在しない（及び任意選択で、Ａ以外の要素を含む）こと；なお別の実施形態では、少なくとも１つ、任意選択で１つ超のＡを含み、少なくとも１つ、任意選択で１つ超のＢを含む（及び任意選択で、他の要素を含む）こと；等を指すことができる。
実施形態において、並びに上記の本明細書において、すべての移行句、例えば、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「保有する」、「有する」、「含有する」、「伴う」、「保持する」、「で構成される」等は、オープンエンドであると、即ち、含むが限定されないことを意味すると理解されるべきである。「からなること」及び「から必須になること」という移行句だけは、合衆国特許庁特許審査手続便覧２１１１．０３においてそれぞれ説明されている通り、クローズ又はセミクローズ移行句であるものとする。
本開示の特定の実施形態が上記で概説されてきた一方で、多くの代替、修飾、及び変動が当業者に明らかである。したがって、本明細書において説明されている実施形態は、例示的であると意図され、限定するものでない。本開示の趣旨及び範疇から逸脱することなく、様々な変化がなされる。上に記載されている方法及びステップが、ある特定の順序で起こるある特定の事象を示す場合、この開示の利益を有する当業者は、ある特定のステップの順序が変更されてよいこと、及びこうした変更が本発明の変動に従っていることを認識されよう。追加として、ある特定のステップは、可能場合に並列プロセスにおいて同時に行うことができ、同様に、上に記載されている通りに逐次に行うことができる。実施形態が特に示され、記載されてきたが、形態及び詳細における様々な変化がなされ得ると理解されよう。
１００ 非対称エレクトロスイング吸着セル
１０１ 対称エレクトロケミカルスイング吸着セル
１１０ 第１のパターン化電極
１１２ 第２のパターン化電極
１２０ 導電性骨格
１３０ 電気活性種
１４０ 電解質領域
１５０ ガス領域
１６０ ガス流れ場
１６１ 第１のガス流れ場
１６２ 第２のガス流れ場
１７０ 対電極
１８０ セパレータ
１０１ 対称エレクトロケミカルスイング吸着セル
１１０ 第１のパターン化電極
１１２ 第２のパターン化電極
１２０ 導電性骨格
１３０ 電気活性種
１４０ 電解質領域
１５０ ガス領域
１６０ ガス流れ場
１６１ 第１のガス流れ場
１６２ 第２のガス流れ場
１７０ 対電極
１８０ セパレータ
Claims (20)
- エレクトロスイング吸着セルのためのパターン化電極であって、
複数の電解質領域、
複数のガス領域、及び
導電性骨格を含み、導電性骨格が、複数の電解質領域に広がり、電気活性種が還元状態にある場合標的ガスと結合することが可能であり、電気活性種が酸化状態にある場合標的ガスを放出することが可能である電気活性種を含む、パターン化電極。 - 第１の電極が１５～５００マイクロメートルの厚さを有する、請求項１に記載のパターン化電極。
- 電解質領域を介してパターン化電極中の活性部位までの標的ガス種の拡散長が１μｍ～１ｍｍである、請求項１又は２に記載のパターン化電極。
- 複数の電解質領域及び複数のガス領域が規則的パターンを形成する、請求項１から３のいずれか一項に記載のパターン化電極。
- 複数のガス領域が電極全体にわたりランダムに分散されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のパターン化電極。
- 複数のガス領域が１～１００マイクロメートルの寸法を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のパターン化電極。
- ガス領域がゼオライト粒子を含み、好ましくはゼオライト粒子が１～１００マイクロメートルの平均直径を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のパターン化電極。
- 第１の電極がプリーツ加工又はフォールディングの構成を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載のパターン化電極。
- 電極が２つ以上の層を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のパターン化電極。
- 導電性骨格が複数のガス領域に広がっている、請求項１から９のいずれか一項に記載のパターン化電極。
- 複数のガス領域のそれぞれが平均直径を有し、平均距離で分離され、平均直径の平均距離に対する比が０．０１～０．５である、請求項１から１０のいずれか一項に記載のパターン化電極。
- 電解質領域がイオン性液体、ゲル電解質、ゲルポリマー電解質又はポリマーイオン性液体を含む電解質を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載のパターン化電極。
- 複数の電解質領域のそれぞれが０．５～５０マイクロメートルの平均経路長を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載のパターン化電極。
- 電気活性種が、電気活性ポリマー、電気活性オリゴマー、電気活性有機化合物、又はこれらの組合せ、
好ましくは、
置換若しくは非置換のキノン若しくはテトロン、好ましくはベンゾキノン、１，４－ナフトキノン、１，２－ナフトキノン、アントラキノン、フェナントレンキノン、ベンズアントラキノン、ジベンゾアントラキノン、４，５，９，１０－ピレンテトロン、又はこれらの組合せ、或いは
置換若しくは非置換のキノン若しくはテトロンから誘導される繰返し単位を含むポリマー若しくはオリゴマー、好ましくはベンゾキノン、１，４－ナフトキノン、１，２－ナフトキノン、アントラキノン、フェナントレンキノン、ベンズアントラキノン、ジベンゾアントラキノン、４，５，９，１０－ピレンテトロン、又はこれらの組合せから誘導される繰返し単位を含むポリマー
を含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載のパターン化電極。 - 請求項１から１４のいずれか一項に記載のパターン化電極、
補助電気活性複合層を含む第２の電極、及び
パターン化電極と第２の電極との間のセパレータ
を含む、エレクトロスイング吸着セル。 - パターン化電極、第２の電極、及びセパレータが一緒にフォールディング又はプリーツ加工されている、請求項１５に記載のエレクトロスイング吸着セル。
- 請求項１から１４のいずれか一項に記載の、エレクトロスイング吸着セルのためのパターン化電極を製造する方法であって、
複合材料をセパレータ上に堆積させる工程であって、複合材料が電解質と、電気活性種をコーティングした導電性骨格とを含む、工程、並びに
複数の電解質領域及び複数のガス領域を含むパターン化電極を形成する工程を含み、
パターン化電極を形成する工程が、レーザーアブレーション、リソグラフィー、機械的刻印、機械加工、エッチング、ポロゲンの除去又はこれらの組合せによるものである、方法。 - エレクトロスイング吸着セルを製造する方法であって、
複合材料をセパレータ上に堆積させる工程であって、複合材料が電解質と、電気活性種をコーティングした導電性骨格とを含む、工程、
複数の電解質領域及び複数のガス領域を含むパターン化した第１の電極を形成する工程、並びに
ガス流れ場及び第２の電極をパターン化した第１の電極に結合して、エレクトロスイング吸着セルを得る工程を含み、
第１のパターン化電極を形成する工程が、複合材料の一部分を除去して、複数の電解質領域及び複数のガス領域を形成する工程を含み、複合材料の一部分を除去する工程が、レーザーアブレーション、リソグラフィー、機械的刻印、機械加工、エッチング、ポロゲンの除去又はこれらの組合せによるものである、方法。 - エレクトロスイング吸着セルを製造する方法であって、
電解質と、第１の電気活性種をコーティングした導電性骨格とを含む複合層を提供する工程、
ガスを充填した細孔を含む第２の導電性骨格を提供する工程、
複合層を第２の複合層とともにプリーツ加工して、パターン化した第１の電極を得る工程、並びに
ガス流れ場及び第２の電極をパターン化した第１の電極に結合して、エレクトロスイング吸着セルを得る工程を含む、方法。 - ガス導入口及びガス排出口に流体連通している複数のエレクトロスイング吸着セルを含むガス分離システムであって、複数のエレクトロスイング吸着セルのそれぞれが請求項１５又は１６によるものである、ガス分離システム。
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