JP2023537572A - 炭素捕捉及び変換のためのシステム及びプロセス - Google Patents

Abstract

ＣＯ２流入ガスの希釈源からＣＯ２を捕捉するための活性ＣＯ２捕捉ユニットは、入口であって、流入ガスがそれを通ってユニット内に導入される入口と、流入ガスと接触して、流入ガスからＣＯ２を化学的に吸着し、化学的に吸着されたＣＯ２をＯＨ－と反応させることによってＨＣＯ３－に変換するように配置されたＯＨ－を含有する非水性のＣＯ２結合性有機液体を含む、非水性領域と、を含むことができる。ユニットはまた、非水性領域の下流に配置された水性領域を含み、水性領域界面において、ＨＣＯ３－は、Ｈ２Ｏと相互作用し、ＣＯ２及びＣＯ３２－に分解する。アニオン交換膜が、非水性領域から水性領域へのＨＣＯ３－の拡散及び移動を促進するために、非水性領域と水性領域との間に配設されている。捕捉ＣＯ２出口が、水性領域の下流に配設されている。【選択図】図２

Description

本開示は、人為的なカーボンフットプリントを有利に減少させることができる、ＣＯ_２の捕捉及び変換のための、より具体的には、発電所及び化学産業のような供給源から、更には概して空気からのＣＯ_２の捕捉及び変換のためのシステム並びにプロセスに関する。

関連技術の簡単な説明
現在、世界のエネルギー消費の約８５％は、石油、天然ガス、及び石炭などの燃焼化石燃料から供給されている。化石燃料の低いコスト及び高いエネルギー密度にもかかわらず、化石燃料の使用は、二酸化炭素（ＣＯ_２）などの多くの望ましくない化合物の放出と不可避的に結合しており、海洋酸性化、気候変動などを含む、環境へのいくつかの悪影響を引き起こす可能性がある。

従来のＣＯ_２捕捉技術は、吸収、低温蒸留、吸着、及び膜分離を含む。モノエタノールアミン（ＭＥＡ）、ジエタノールアミン、及び水酸化物水溶液などの液体吸収剤は、ＣＯ_２を選択的に捕捉するために業界で広く用いられる。アミン系プロセスは、ＣＯ_２吸収時の蒸発及び高粘度による溶媒損失に悩まされる。ＣＯ_２とアミン官能基との強力な結合は、高温を必要とし、プロセスのエネルギー効率に悪影響を及ぼす。水酸化物水溶液の場合、ＨＣＯ_３ ^－からＣＯ_３ ^２－への変換は、ＣＯ_２捕捉容量を制限し、ＣＯ_２を放出するための高いエネルギー消費をもたらす。別の懸念は、水酸化物系アプローチのためにＣａ（ＯＨ）_２を再生するための苛性化－か焼プロセス中の水の損失である。低温蒸留は、ＣＯ_２を昇華温度（－１００～－１３５℃）以下に冷却して、より軽いガスからそれを分離する別の確立された技術である。このプロセスの温度要件により、高いエネルギー集約型プロセスにする。金属有機フレームワーク（ＭＯＦ）、ＣａＯ、及びアルカリ金属炭酸塩のような固体吸着剤は、＞８５％の吸着効率を呈し、サイズ排除又はシングルパス操作における相対静電吸引のいずれかによって、供給物中のガスの混合物からＣＯ_２を分離する膜として動作する。現存する全てのＣＯ_２捕捉技術は、ＣＯ_２捕捉媒体の再生を必要とし、この再生ステップ中にＣＯ_２が捕捉されないため、プロセスをエネルギー集約的にするだけでなく、不連続にする。化学的ループ化及び二重流動床吸着剤の使用などのプロセス修正で、この課題を回避しようと試みられるが、より高いエネルギー消費を犠牲にする。

今後数十年（２０１０～２０６０）の間に、既存のインフラストラクチャーにおける化石燃料燃焼に起因して、大気中のＣＯ_２の累積量は、最大約４９６ギガトン増加すると予測されている。それゆえ、代替エネルギー源及びＣＯ_２排出率の制御の改善の両方に対する緊急の必要性が存在する。しかしながら、世界的な高いエネルギー需要に起因して、化石燃料の生成を置き換えるか、又は大幅に低減させるための即時の代替手段は存在しない。この問題は、低コストの化石燃料によって更に悪化している。幸いなことに、ＣＯ_２の電気触媒還元に関する研究は、過去数年間で驚くほどの進歩をもたらしたが、空気又は他の点源からＣＯ_２を直接取り入れ、収集されたＣＯ_２の排出を付加価値のある化学物質に変換することができる解決策は、まだ知られていない。

水駆動ＣＯ_２捕捉技術は、低エネルギーペナルティに対して魅力的である。水和物系ＣＯ_２分離は、ＣＯ_２が高圧下で水又は水混和性の溶媒と水和物を形成し、ガスの混合物で供給物から分離され得る水駆動技術である。水分スイング技術は、空気からＣＯ_２を直接捕捉し、ここで、アニオン交換膜として働くポリマー骨格上に支持された四級アミンイオン交換樹脂が、水枯渇（乾燥）環境において、重炭酸塩及び炭酸塩の形態でＣＯ_２を吸収し、炭酸塩－重炭酸塩平衡による湿潤環境において、ＣＯ_２にそれを放出する。この機構は、アニオン交換膜の一方の側に一定のＣＯ_２の供給を有する一定の水枯渇環境、及び他方の側に湿潤環境を維持すること、それによって、アニオン交換膜を横断する水の濃度の勾配を確立することによって利用することができる。

本明細書において開示されるのは、活性ＣＯ_２捕捉ユニットであって、当該ユニットの非水性領域内に存在するＣＯ_２結合性有機液体を利用して、流入ガスからＣＯ_２を化学的に吸着し、それをＨＣＯ_３ ^－に変換する活性ＣＯ_２捕捉ユニットである。このユニットは、ＨＣＯ_３ ^－がＨ_２Ｏと相互作用し、ＣＯ_２及びＣＯ_３ ^２－に分解される水性領域へのＨＣＯ_３ ^－の移行を促進するために、非水性領域と水性領域との間の界面に配置されたアニオン交換膜を含む。

ＣＯ_２の捕捉及び捕捉されたＣＯ_２をＣ_３Ｈ_６、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、ＣＨ_３ＯＨ、ＣＯ、Ｈ_２及びＣＨ_３ＣＯＯＨのうちの１つ以上に変換するためのシステムもまた本明細書において開示される。システムの副産物は、合成ガス（ＣＯ及びＨ_２）並びにＯ_２を含み得る。本開示のシステムは、ＣＯ_２捕捉及び変換を単一のプロセスに組み合わせる完全に統合されたシステムであり得る。このプロセスは、持続可能かつエネルギー効率が優れたものであり得る。

本開示の原理に従って、ＣＯ_２捕捉及び変換を単一の持続可能であり、かつエネルギー効率が優れたプロセスに組み合わせる、自動化され及び完全に統合された電気化学システムは、周囲の空気及び他の点源からのＣＯ_２排出を捕捉し、排出を変換して、周囲条件で調節可能な組成物を有する合成ガス（ＣＯ及びＨ_２）を生成することができる。合成ガスは、フィッシャートロプシュ法などを介してなど、長鎖炭化水素生成の原料として使用され得る。

生成物を形成するために、１つ以上の希釈源及び／又は周囲条件におけるガスからのＣＯ_２の効率的な捕捉のために構成された統合電気触媒膜を含む例示的な実施形態が記載される。支持されたイオン性液体が、１つ以上のイミダゾール系液体、ホスホニウム系液体、又はアニオン交換膜若しくは樹脂を含むことができるように、膜が構築され得る。生成物は、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、Ｃ_３Ｈ_６、ＣＯ、Ｈ_２、ＣＨ_３ＯＨ、及びＣＨ_３ＣＯＯＨのうちの少なくとも１つによって更に定義することができる。ある例示的な実施形態では、膜中のＣＯ_２の捕捉及び変換は、両方とも統合された電気触媒膜システム内で生じ得る。１つ以上の希釈源／ガスは、煙道ガスを含むことができる。

図１は、本開示に従う、水分勾配プロセスを使用するＣＯ_２捕捉及び輸送の機構の概略図である。 図２は、本開示に従う、ＣＯ_２捕捉ユニットの概略図である。 図３は、本開示に従う、ＣＯ_２捕捉及び還元のためのシステムの概略図である。 図４は、本開示に従う、ＣＯ_２捕捉及び還元のためのシステムの概略図であり、挿入図は、中空繊維膜モジュール系アニオン交換膜を示す。 図５Ａは、本開示に従う、Ｃｕメッシュ触媒を有する還元ユニットの概略図である。 図５Ｂは、本開示に従う、Ｃｕメッシュ触媒のスタックを有する還元ユニットの概略図である。 図５Ｃは、Ｃｕメッシュ触媒の走査型電子顕微鏡画像である。 図５Ｄは、振動する矩形波電位の異なる周波数（切替時間）におけるエチレンのファラデー効率を示す、－１．４Ｖ～０．６Ｖに変化するバースＲＨＥ（挿入図）の振動する矩形波電位の振幅２Ｖの実施態様を例解するグラフである。 図６は、本開示に従う、ＣＯ_２の捕捉及び変換のためのシステムの概略図である。 図７（ａ）は、水分勾配プロセスを使用した空気からの直接のＣＯ_２捕捉の多重物理シミュレーションに関するＨ_２Ｏ及びＨＣＯ_３ ^－の相互拡散プロファイルのグラフである。図７（ｂ）は、水分勾配プロセスを使用した空気からの直接のＣＯ_２捕捉の多重物理シミュレーションのＣＯ_２及びｐＨプロファイルのグラフである。図７（ｃ）は、水分勾配プロセスを使用した空気からの直接のＣＯ_２捕捉の多重物理シミュレーションに関するＥｘｃｅｌｌｉｏｎアニオン交換膜のＣＯ_２分離と捕捉効率との間の性能曲線関係を示すグラフである。図７（ｄ）は、Ｅｘｃｅｌｌｉｏｎ（破線）が接触器として使用されるときと比較して、空気が直接噴霧されるとき（固体）の、０．３ＫＯＨ電解質における実験的に測定されたｐＨ変化を示すグラフである。ｐＨにおける変化は、ＣＯ_２捕捉に関連する。 図８は、本開示に従うシステムの概略図である。 図９は、本開示の捕捉ユニットの捕捉効率の関数としての分離効率のグラフである。 図１０Ａは、純ＣＨ_３ＯＨ（ＭｅＯＨ）、ＭｅＯＨ中に溶解したＮａＯＨ、ＣＯ_２が噴霧されたＮａＯＨ＋ＭｅＯＨ溶液、及びＨ_２Ｏを添加した状態のＣＯ_２が噴霧されたＮａＯＨ＋ＭｅＯＨ溶液のＦＴＩＲスペクトルである。ＨＣＯ_３ ^－ストレッチは、ＣＯ_２が噴霧されたＮａＯＨ＋ＭｅＯＨ溶液において優性であり、これは、増加するＨ_２Ｏを有するＣＯ_３ ^２－ストレッチにおける増加とともに減少する。 図１０Ｂは、ｌｏｇ（Ｋ）は、Ｈ_２Ｏの増加とともに急速に増加し、ＨＣＯ_３ ^－水溶液に関してバルクｐＫａ－３．８７に対応するプラトーに到達する。 図１１Ａは、ＨＣＯ_３ ^－の濃度に対する溶液抵抗のほぼ直線的な依存性を示す較正曲線であり、図１１Ｂは、エチレングリコール中１．２ＭのＫＯＨの溶液中に捕捉されたＣＯ_２の総モルを示すグラフである。平均ＣＯ_２捕捉速度は、約８．３μｍｏｌ／秒である。 図１２は、流入ガス中のＣＯ_２の濃度が高いほど、重炭酸イオンで完全に飽和するのに必要な時間が短いことを示す、時間の関数としての抵抗のグラフである。 図１３は、有機溶液からのＨＣＯ_３ ^－の移動に起因する、ＨＣＯ_３ ^－、溶解した、及び気体のＣＯ_２の濃度における動的増加を示すグラフである。 図１４は、ｐＨの低下によって観察される際、時間とともに移動したＣＯ_２の量を示す時間の関数としてのｐＨのグラフである。 図１５Ａは、移動プロセスにおける捕捉及び還元プロセスの両方の統合の効果を示す時間の関数としてのｐＨのグラフである。 図１５Ｂは、移動プロセスにおける捕捉及び還元プロセスの両方の統合の効果を示す時間の関数としてのｐＨのグラフである。 図１６は、本開示のシステムにおける異なる触媒に対して印加された電位の関数としてのＦＥハロゲン化物のパーセンテージを示すグラフである。 図１７Ａは、＃４０メッシュＣｕ触媒、＃１００メス触媒、及び発泡体Ｃｕ触媒に関する総電流を示すグラフである。 図１７Ｂは、＃４０メッシュＣｕ触媒、＃１００メスＣｕ触媒、及び発泡体Ｃｕ触媒に関するエチレン部分電流を示すグラフである。 図１８は、Ｃｕメッシュの関数として電流密度を示すグラフである。 図１９は、Ｃｕメッシュの関数としてエチレン部分電流を示すグラフである。 図２０Ａは、正弦タイプ及び矩形タイプの振動波を示すグラフである。 図２０Ｂは、振動波の振幅の関数としてのエチレンＦＥパーセンテージを示すグラフである。 図２０Ｃは、振動波の振幅の関数としてのＦＥパーセンテージを示すグラフである。 図２１は、水分勾配の存在下でアニオン交換膜の炭素捕捉効率を評価するための実験的設定である。

ＣＯ_２捕捉のための水分勾配プロセス及びかかるプロセスを実施するためのユニットが、本明細書において開示される。更に、所望の生成物へのＣＯ_２の捕捉及び還元のためのプロセス、並びに同プロセスを実施するためのシステムもまた本明細書において開示される。かかるシステムは、捕捉プロセス及び還元プロセスの両方を実施するための統合されたシステムであり得る。本開示の捕捉ユニットは、煙道ガス、他の工業用ガス、及び空気などの希釈源からＣＯ_２を有利に捕捉し、実質的に純粋なＣＯ_２を放出することができる。本開示のシステムでは、放出されたＣＯ_２は、プロセス中に生成された副産物がプロセスにリサイクルされる状態で還元されて、連続的又は実質的に連続的なプロセスを可能にすることができる。捕捉及び還元のための断続的プロセスもまた本明細書において企図される。

図１を参照すると、本開示のＣＯ_２捕捉プロセスは、Ｈ_２Ｏがこの反応を自己触媒する反応
によって駆動され得る。理論によって束縛されることを意図するものではないが、反応機構は自己触媒ＨＣＯ_３ ^－分解を表すと考えられる。

Ｌｅ Ｃｈａｔｅｌｉｅｒの原理によれば、膜中のＨＣＯ_３ ^－の濃度を増加させると、水の相対湿度（ＲＨ）が１００％に維持される水性界面（湿潤界面）におけるＣＯ_２の濃度が増加する。膜中のＨＣＯ_３ ^－のより高い濃度は、非水性（乾燥）界面におけるＨ_２Ｏ濃度を低減することによって取得され、そのため乾燥界面におけるＣＯ_２及びＣＯ_３ ^２－分子を架橋するＨ^２Ｏが分裂して、２分子のＨＣＯ_３ ^－を生み出す。

図２を参照すると、本開示の活性ＣＯ_２捕捉デバイス１０は、流入ガスからのＣＯ_２の捕捉のために捕捉ユニット１０の非水性領域１４に流入ガスを導入する、流入ガス入口１２を含むことができる。捕捉ユニットは、非水性領域１４の下流の水性領域１６を更に含み、水性領域１６と非水性領域１４との間にアニオン交換膜１８が配置され、そのためアニオン交換膜１８を横断して水分の勾配が生成される。代替的に、ユニット１０は、膜電極ユニットとして動作することができ、カソード２０は、Ｈ_２Ｏの分解のために非水性領域１４内に提供されて、非水性領域１４にＯＨ^－の供給源を提供する。かかるユニットでは、水性領域からのＨ_２Ｏは、カソード上で還元されて、Ｈ_２ガス及びＯＨを生成する。Ｈ_２ガスは、気泡を出し、ＯＨ^－は、入力蒸気中のＣＯ_２と反応して、ＨＣＯ_３ ^－を生成する。ＯＨ^－の連続的な生成は、ＨＣＯ_３ ^－としてＣＯ_２の連続的な捕捉を確実とする。

本開示の捕捉ユニット１０は、膜電極ユニットとして動作するため、又は非水性領域内でＣＯ_２結合性有機液体を有する捕捉ユニットで使用するために、非水性領域１４中又は上流に配置されたカソード２０を更に含み得る。カソード２０は、Ｈ_２ＯをＨ_２ガス及びＯＨ^－に還元するように機能することができ、これは、水性領域ｎ１４において、ＣＯ_２の結合及びＨＣＯ_３ ^－への変換のための供給源であり得る。Ｈ_２出口２８は、Ｈ_２Ｏの還元から吹き出すＨ_２ガスがユニット１０から通気されるように配置することができる。

本開示の捕捉ユニット１０は、水性領域の下流に配置されたアノード２２を更に含むことができる。カソード２０及びアノード２２を有する本開示の捕捉ユニット１０において、水性領域１６は、水性電解質を含むことができ、電界が、非水性領域１４から水性領域１６へのＨＣＯ_３ ^－の移動及び拡散を促進するために捕捉ユニット内に印加され得る。実施形態では、電界は、捕捉ユニット内で生成及び印加され得る。

アノード２２及びカソード２０のいずれか又は両方は、平面及び／又は多孔質であり得る。図３を参照すると、捕捉ユニット１０及び還元ユニット３０を有する本開示のシステム１００では、以下に詳細に説明するように、カソード２０は、捕捉ユニットの上流に配置され得、アノード２２は、還元ユニット３０の下流に配置され得る。

非水性領域１４は、流入ガスと接触して、流入ガスからＣＯ_２を化学的に吸着し、化学的に吸着されたＣＯ_２をＯＨ^－及び／又はＯＨ^－のための供給源に到達させることによって、ＨＣＯ_３ ^－に変換するように配置される、ＯＨ^－を含有するＣＯ_２結合性有機液体を含むことができる。ＣＯ_２結合性有機液体は、例えば、イオン性液体であり得る。イオン性液体は、イミダゾリウム系又はホスホニウム系であり得る。例えば、イオン性液体は、コリン水酸化物、テトラブチルホスホニウムメタンスルホネート、及び１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェートのうちの１つ以上であり得る。

水酸化物イオン源は、例えば、アルカリ金属水酸化物であり得る。水酸化物イオン源は、ＣＯ_２結合性有機液体中に溶解することができる。例えば、水酸化物イオン源は、ＫＯＨであり得る。

非水性領域１４は、非水性極性有機溶媒を更に含み得る。非水性極性溶媒は、アルコール、有機アミジン塩基、又はグアニジン塩基のうちの１つ以上であり得る。アミジン又はグアニジン塩基は、液体アミジニウム又はグアニジニウムアルキル炭酸塩としてＣＯ_２と化学的に結合することができる。例えば、溶媒は、エチレングリコール、メタノール、及びエタノールのうちの１つ以上であり得る。

代替的に、ユニット１０は、カソード２０が非水性領域１４の上流に提供され、アニオン交換膜１８が、ユニットの非水性領域１４上の流入ガス流からのＣＯ_２を結合するように機能する乾燥側を有する膜電極ユニットとして動作することができる。アニオン交換膜１８は、四級アミンの周りにＯＨ^－イオンが会合した四級アミンであることができるか、又はそれを含むことができる。ＯＨ^－は、ＣＯ_２と反応して、ＨＣＯ_３ ^－を形成し、本明細書に記載されるようにアニオン交換膜を横断して移動する。そのようなユニット１０では、Ｈ_２Ｏは、カソードによって還元されて、Ｈ_２ガス及びＯＨ^－を生成する。Ｈ_２ガスは、気泡を出し、ＯＨ^－は、入力蒸気中のＣＯ_２と反応して、ＨＣＯ_３ ^－を生成する。ＯＨ^－の連続的な生成は、ＨＣＯ_３ ^－としてＣＯ_２の連続的な捕捉を確実とする。いくつかのユニット１０では、アニオン交換膜１８は、ＣＯ_２有機結合液体を使用するシステムのように、結合を更に促進するために、ＣＯ_２結合剤でコーティングすることができる。

水性領域１６は、水そのもの若しくは水性電解質の存在などの液体形態、又は加湿ガス（本明細書では集合的に水性流体と呼ぶ）のいずれかのＨ_２Ｏを含む。水性流体は、水性領域を通って流れることができるか、又は固定量で提供され得る。水性領域では、ＨＣＯ_３ ^－は、Ｈ_２Ｏと相互作用し、ＣＯ_２及びＣＯ_３ ^２－に分解する。

アニオン交換膜１８は、１つ以上の四級アミン又はホスホニウムイオンを含むことができる。アニオン交換膜は、例えば、四級アミン又はホスホニウムイオンが付着した水酸化物、炭酸塩、及び／又は重炭酸塩部分を有するポリマー骨格樹脂であり得る。ポリマー骨格は、例えば、ポリスチレンであり得る。図４の挿入物を参照すると、アニオン交換膜は、中空繊維から構成され得る。アニオン交換膜は、１０を超えるｐＨなどの高ｐＨに耐えることができる材料で形成することができる。例えば、対イオンとしてポリマー骨格上に水酸化物、炭酸塩、及び重炭酸塩部分が存在することにより、アニオン交換膜が１０を超えるｐＨを維持することを可能にすることができる。

捕捉速度は、アニオン交換膜の特定の面積を調節することによって調整することができる。中空繊維又は多孔質炭素又は他の好適な基板などのより高い特定の面積構成は、ＣＯ_２捕捉の速度及び量を増加させることができる。例えば、１ｃｍ^２の幾何学的面積当たり５２７ｃｍ^２の特定の面積を有するアニオン交換膜中空繊維構造は、電解質中の定常状態のＣＯ^２濃度を２２ｍＭに維持しながら、電流密度の３５０ｍＡ／ｃｍ^２を支持するために、周囲空気からカソードにＣＯ_２を供給することができる。これは、本開示に従って、捕捉ユニット１０を使用して、約１００μｍｏｌ ｍ^－２ｓ^－１の実験的に測定されたＣＯ_２捕捉流速と十分に比較される。

捕捉ユニット１０は、流入ガスと流体連通する流入ガス出口２４を更に含むことができ、そのため、ＣＯ_２の捕捉のために流入ガス入口１２を通して捕捉ユニット１０内に流入ガスが流れ、ガスの残りの構成要素が、流入ガス出口２４を通してユニット１０から除去される。

流入ガスは、ＣＯ_２を含有し、そこからＣＯ_２が捕捉される任意のガスである。例えば、流入ガスは、煙道ガス、他の工業用ガス、空気、又は他の人為的なＣＯ_２源などのＣＯ_２の希釈源であり得る。ＣＯ_２の希釈源は、流れ中に約１０～１５％のＣＯ_２を含有する煙道ガスと、約４００ｐｐｍを超えるＣＯ_２を含有する空気と、を含むことができる。流入ガスは、約２０℃～約１２０℃の温度であり得る。

本開示の捕捉ユニットは、ＣＯ_２捕捉効率を維持しながら、高い分離効率を達成することができる。図９を参照すると、例えば、約８０％のＣＯ_２捕捉効率を維持しながら、８０％のＣＯ_２分離効率を達成することができる。本開示の捕捉ユニット及びシステムは、６０％～９０％のＣＯ_２分離効率及び／又はＣＯ_２捕捉効率を有することができる。捕捉効率及び分離効率は、以下のように計算される：

ここで、「乾燥」は、非水性領域を指し、「湿潤」は、水性領域を指す。

本開示の捕捉及び還元のための捕捉ユニット及びシステムは、周囲条件で動作し得る。本開示の捕捉ユニット並びに捕捉及び還元システムは、低湿度環境で動作することができる。これは、有利には、捕捉ユニットを、住居、商業、又は工業環境における屋内、並びに開放面積における屋外などの様々な製造又は他の環境において使用することを可能にする。

図３及び図４を参照すると、活性ＣＯ_２捕捉及び還元のためのシステム１００は、捕捉されたＣＯ_２を所望の生成物ガスに変換するための還元ユニット３０を有する、本明細書において説明された捕捉ユニット１０のいずれかを含むことができる。所望の生成物ガスとしては、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、ＣＨ_３ＣＯＯＨ、Ｃ_３Ｈ_６、ＣＨ_３ＯＨ、ＣＨ_４、ＣＯ、及びＨ_２のうちの１つ以上が挙げられる。システムは、統合された捕捉及び還元を有することができる。図６を参照すると、システムは、ボイラシステムから除湿された煙道ガスを受容し、システムから変換された出力ガスを放出するように構成された送達出口を有するように構成することができる。本開示のシステムは、継続的動作のためにボイラの二次燃料として機能するようにリサイクルすることができる、ＣＯ及びＨ_２（合成ガス）を生成するように調整することができる。

還元ユニット３０は、活性ＣＯ_２捕捉ユニット１０の下流に配置され、そのため、還元ユニットは、捕捉されたＣＯ_２が、Ｈ_２Ｏとの反応を通して放出される水性領域に配置されたＣＯ_２捕捉出口から捕捉されたＣＯ_２を受け取る。還元ユニットは、捕捉されたＣＯ_２の還元のための触媒３２を含み、そのため、捕捉されたＣＯ_２が還元ユニット３０に流れるとき、それは、触媒３２と相互作用して、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、ＣＨ_３ＣＯＯＨ、Ｃ_３Ｈ_６、ＣＨ_３ＯＨ、ＣＨ_４、ＣＯ、及びＨ_２の１つ以上に還元される。システム１０は、ＣＯ_２還元のためのプロトン及び副産物としてのＯ_２の生成のためのＨ_２Ｏの酸化用触媒３６を更に含む。セパレータ３８は、還元ユニット３０とＨ_２Ｏ酸化触媒３６との間に配設される。Ｈ_２Ｏ酸化触媒３６は、システムの一部であるか、別様にシステムのためのアノードを形成することができる。Ｈ_２Ｏ酸化触媒は、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ－Ｎｉ、ＰｔコーティングＴｉ、Ｉｒ、及びＲｕのうちの１つ以上を含むことができる。システムでは、カソードは、本明細書において説明されるように、捕捉ユニットの上流又は捕捉ユニットの一部に提供することができる。システムはまた、エネルギー源を含むこともできる。エネルギー源は、例えば、光セル及び／又は電気化学セルであり得る。エネルギー源は、炭素捕捉ユニット１０と統合され得るか、又はシステム内でスタンドアロンデバイスに統合され得る。

ＣＯ_２還元触媒は、銅メッシュであり得る。例えば、銅メッシュは、約４０～約１２０メッシュのメッシュサイズを有することができる。好適なメッシュサイズには、約４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、及び１２０、並びにそれらの間の任意の値又はそれらの間の値によって定義される範囲が挙げられる。

ＣＯ_２還元触媒は、金属ナノ結晶を含むか、又は金属ナノ結晶として形成され得る。例えば、金属ナノ結晶は、メッシュ基板上で成長させたものであり得る。例えば、Ｃｕナノ結晶は、ＣＯ_２還元触媒として使用され得る。Ｃｕナノ結晶は、ドミネート（ｄｏｍｉｎａｔｅ）（１００）ファセットを有するＣｕナノキューブであり得る。触媒は、例えば、Ｃｕ－ナノキューブナノ粒子インクを炭素紙上にスプレーコーティングすること又は電着などにより調製することができる。金属ナノ結晶は、異なるサイズ及び形状に形成され、Ｃｕなどの多結晶金属フィルムの環状酸化還元によって形成され得る。

本開示のシステムでは、ＣＯ_２捕捉ユニット１０及び還元ユニット３０は、約５ｍｍ～約２０ｍｍの距離、離間され得る。

ＣＯ_２を捕捉するための方法は、本明細書において説明されるように、捕捉されるＣＯ_２を含有する流入ガスを、ＣＯ_２捕捉ユニットに流すことを含むことができる。流入ガスを捕捉ユニットの非水性領域に導入すると、ＯＨ^－及び／又はアニオン交換膜上に存在するか、若しくはアニオン交換膜と会合するＯＨ^－を含むＣＯ_２結合性有機液体は、ＣＯ_２を化学的に吸着し、ＨＣＯ_３ ^－に変換する。ＨＣＯ_３ ^－は、水分の勾配が水性領域に存在するアニオン交換膜を横断して移動する。水分の勾配は、膜を横断する輸送を促進する。方法は、膜を横断するＨＣＯ_３ ^－の輸送を更に補助するために、捕捉ユニットを横断する電界を印加することを更に含み得る。印加された電界は、約３～約１０Ｖの範囲内の静的電圧として印加され得る。任意選択的に、印加された電界は、システム内で生成され得る。水性領域では、ＨＣＯ_３ ^－は、水性領域内に存在するＨ_２Ｏと相互作用し、ＣＯ_２に分解して、捕捉ＣＯ_２出口に流れ得る。

上記で考察されたように、捕捉ユニット又は捕捉ユニット１０を収容するシステムは、Ｈ_２Ｏが、Ｈ_２及びＯＨ^－に還元されるカソード２０を含むことができる。Ｈ_２は、気泡を出し、捕捉ユニットの上流に放出され得、ＯＨ^－は、ＣＯ_２の結合のために非水性領域に流れることができる。水は、加湿された窒素として捕捉ユニットに連続的に流れることができ、及び／又は捕捉ユニットを通して再循環させて、連続的な結合動作のために非水性領域に連続的なＯＨ^－源を提供することができる。カソードによるＨ_２Ｏの還元から放出されたＨ_２は、還元ユニットに電力を供給するために使用され得るか、又は還元のためのプロトンを生成するために酸化され得る。

還元ユニットを更に含む本開示のシステムでは、捕捉ユニットから捕捉及び放出されたＣＯ_２は、ＣＯ_２を１つ以上の所望の生成物ガス３４に還元するＣＯ_２還元触媒と相互作用する還元ユニット内に流れる。カソードの下流に配置されたアノードは、Ｈ_２Ｏの酸化用触媒として機能し、Ｈ_２Ｏを還元して、還元触媒にプロトンを供給することができる。アノードによるＨ_２Ｏの酸化は、副産物としてＯ_２の生成をもたらす。本システムは、Ｈ_２Ｏ酸化触媒（アノード）と還元ユニットとの間に配置されたスペーサーを有することによって、Ｈ_２Ｏの酸化をＣＯ_２の還元から空間的に有利に分離する。これは、生成物ガス流３４からＯ_２副生成物ガス流を有利に分離して、高純度の生成物ガス流を提供する。

本開示のシステムは、活性ＣＯ_２捕捉ユニット及びＣＯ_２捕捉ユニットの水性側における電解質のＣＯ_２還元ユニットのカソードコンパートメントへの流れを有するＣＯ_２還元ユニットの統合であり得る。

理論モデリング
異なるイオン種の輸送のためのネルンストプランクの式を解くために、ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓを使用する図１Ｂに見られるように、水性電解質に隣接する水分勾配膜の一次元モデルを開発した。時間依存分析を行い、膜中の種の濃度プロファイルの発達を見た。炭酸塩－重炭酸塩平衡反応を、水に依存するように設定し、隣接する電解質を、全ての種について高い拡散係数を有するよく混合された電解質としてモデル化した。

モデル内で検討された種：ＣＯ_２捕捉のために提案された水分勾配機構に基づいて、シミュレーションでは、ｉ）水分勾配捕捉のための主要種としてＣＯ_２、ｉｉ）水分勾配に寄与する乾燥側の水分含有量及び膜に隣接する電解質中のＨ_２Ｏ、ｉｉｉ）Ｈ_２Ｏの解離からのＨ^＋、ｉｖ）水分勾配機構のステップ１からのＨ_２Ｏの解離から及びＣＯ_２捕捉に関するＯＨ^－、ｖ）膜中の水に依存する平衡動態に関する
ｖｉ）又は水に依存する平衡動態に関する
ｖｉｉ）膜及び隣接する電解質中の水分勾配機構に寄与しない炭酸塩及び重炭酸塩に対するＫ^＋対イオン、及びｖｉｉｉ）膜上の背景四級アミンとしての
の合計８種が検討された。

種の輸送：印加された電界による拡散及びイオン移動度のみが、対流のない種の輸送を駆動していると仮定した。輸送機構は、水の濃度によって促進されるため、拡散もまた、膜の水取り込みλに依存し、それは乾燥側の水濃度に依存する。λは、膜背景
のユニット濃度当たりの水の濃度として定義される。このモデルで使用された支配的な方程式は以下のとおりである：

式中、Ｃ_Ｊは、濃度であり、Ｊ_Ｊは、流速であり、Ｒ_Ｊは、ｊ番目の種の反応速度である。総拡散性及びイオン移動度流速は、以下で与えられる：

式中、Ｄ_Ｊは、λ依存性拡散係数ＤＪ（λ）であり、Ｚ_Ｊは、電荷数であり、ｕ_ｍ，ｊは、ｊ番目の種のイオン移動度である。Ｆはファラデー定数であり、Ｖは電位である。我々はネルンストプランクの式を解いているが、膜には電位が印加されていないので、電気中性条件は以下によって課される：

膜中の反応：水分勾配ＣＯ_２捕捉は、水依存性炭酸塩重炭酸塩平衡反応を使用して実装される。モデルで検討されたＨ_２Ｏ解離反応：

炭酸塩－重炭酸塩平衡反応は以下によって与えられる：

膜内の全ての反応におけるＨ_２Ｏの活性は、一体性とはみなされず、
として計算された。

境界条件：膜の乾燥側において、ＣＯ_２供給物の内向き流速を、以下のように確立した：

式中、
は、ＣＯ_２捕捉動態実験から決定される内向き流速であり、－ｎは、モデル内で内向きを指す垂直ベクトルである。完全な二酸化炭素捕捉及び利用プロセスを実装するために、水分勾配ＣＯ_２捕捉を、ＣＯ_２～ＣＯの電気化学的利用と組み合わせた。この電気化学的統合は、以下によって与えられるＣＯ_２除去の流速として境界条件の形態で実装された：

式中、
はＣＯ_２の外向き流速であり、ＣＯ_２の流速
は以下で与えられる：

式中、ＩはＣＯ_２利用の電流密度、及びｎはＣＯ_２をＣＯ（ｎ＝２）に変換するために移行された電子の数である。

実施例１：シミュレートされた捕捉プロセス
Ｈ_２Ｏ濃度が非水性「乾燥」側上で減少するにつれて、平衡定数もまた減少して、ＨＣＯ_３ ^－の形成に有利になる。ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓソフトウェアを使用する連続体モデルを使用して、水分勾配駆動ＣＯ_２捕捉プロセスをシミュレートすることができる。これらのシミュレーションの目的は、３つの主要な性能測定基準、すなわち、（ＣＯ_２捕捉流速対ＣＯ_２捕捉流速とＣＯ_２交差流速との合計の比として定義される）ＣＯ_２捕捉効率、（水性「湿潤」側における捕捉されたＣＯ_２濃度対ＣＯ_２交差がないＣＯ_２濃度の比として定義される）ＣＯ_２分離効率、及び（捕捉されたＣＯ_２のモル当たりに消費される総エネルギーとして定義される）エネルギー要件に対する、水吸着、水透過性、イオン交換容量、イオン伝導性、イオン選択性、ＣＯ_２交差、多孔性、及び膜の厚さなどのＡＥＭの物理的特性の影響を定量化することである。

図７Ａは、「湿潤」側のＲＨが１００％であり、「乾燥」側が２０％であるとき、膜中のＨ_２Ｏ及びＨＣＯ_３ ^－の対拡散を示す。ＨＣＯ_３ ^－の流速は、ＣＯ_２捕捉流速を管理する。「湿潤」側のＣＯ_２濃度の増加は、「乾燥」側へのＣＯ_２の逆拡散又は交差を増加させ、これは、膜内部のｐＨ勾配とともに図７Ｂに示される。

ＣＯ_２の交差損失は、「湿潤」側のＣＯ_２を直接利用することによって最小限に抑えることができる。Ｅｘｃｅｌｌｉｏｎ ＡＥＭの計算された性能曲線が、図７Ｃに与えられ、ＣＯ_２捕捉効率の増加に伴ってＣＯ_２分離効率が低下することを示す。この挙動は、「湿潤」側のＣＯ_２濃度における低下と、定常状態でのＣＯ_２捕捉流速に等しいＣＯ_２利用流速における増加に起因する。性能曲線の理想的な形状は、ＣＯ_２分離効率が、ＣＯ_２捕捉流速又は効率の様々な値に対して１００％であるように矩形でなければならない。この性能曲線は、統合システムにおける１つ以上の好適な触媒のＣＯ_２利用（変換）効率と一致する。

更に、空気中のＣＯ_２を捕捉するための水分勾配プロセスの有効性を、実験的に評価することができる。図７Ｄは、ＡＥＭ（Ｅｘｃｅｌｌｉｏｎ）を接触器として使用した場合と比較して、空気を０．３ＭのＫＯＨ電解質に直接スパージしたときの実験的に測定されたｐＨ変化を示す。ｐＨの低下は、電解質中のＣＯ_２濃度の増加に直接関係することが見出された。両方の場合における最終的なｐＨ（５時間後に測定）の差は、＞１ユニットであり、これは、水分勾配プロセスを使用して捕捉されたＣＯ_２のより高い桁のモルを示す。

ここで使用されたＡＥＭの特定の面積は、１ｃｍ^２／ｃｍ^２であった。ＣＯ_２捕捉の速度及び量は、中空繊維モジュール、多孔質炭素、又は他の好適な基板などのより高い特定の面積構成を使用することによって実質的に改善することができる。

実施例２
ＦＴＩＲ分光法：水の濃度の関数として平衡内のシフトを理解するために、非水性溶媒（ＣＨ_３ＯＨ）中の変化するＨ_２Ｏ濃度のためのＣＯ_３ ^２－及びＨＣＯ_３ ^－の濃度を定量化するために、ＦＴＩＲ分光法を実施した。ＦＴＩＲベンチは、ＰｉｋｅＶｅｅＭａｘＩＩ可変角度全反射減衰（ＡＴＲ）アクセサリー及び６０^ｏＧｅフェイスアングル結晶を備えたＢｒｕｋｅｒ Ｉｎｖｅｎｉｏ Ｓであった。ミッドバンド液体Ｎ_２冷却ＭＣＴ検出器を使用し、各実験について、取得したスペクトルは、４ｃｍ^－１の分解能で１５００回にわたって平均化した。ＣＨ_３ＯＨ中のＨＣＯ_３ ^－及びＣＯ_３ ^２－の異なる濃度で、１６３３ｃｍ^－１におけるＨＣＯ_３ ^－バンド及び１４５０ｃｍ－^１におけるＣＯ_３ ^２－バンドの強度を、個別に較正した。最大容量４ｍｌのオーダーメイドの３Ｄ印刷されたセルを、Ｇｅ結晶の上に設置し、全てのＦＴＩＲ実験を実施した。

当初、既知の量のＮａＨＣＯ_３を、純ＣＨ_３ＯＨ中に溶解し、採取したスペクトルは、１６３３ｃｍ^－１におけるその濃度の増加を伴い、ＨＣＯ_３ ^－ストレッチバンドのうちの１つの強度における増加を示した。ＣＨ_３ＯＨは、ＨＣＯ_３ ^－を純粋な形態で保持し、水性システム中に見られるようにＣＯ_３ ^２－と平衡化することを防止するための溶媒として選択された。ＨＣＯ_３ ^－は、ＣＨ_３ＯＨ中に溶解した既知のＮａＨＣＯ_３の濃度を、１６３３ｃｍ^－１の強度に関連付けることによって較正した。同様に、ＣＯ_３ ^２－は、１４５０ｃｍ^－１における強度変化を観察することによって較正した。

平衡動態を研究するために、既知の量のＮａＯＨを、ＣＨ_３ＯＨ中に溶解し、ＣＯ_２を、システムにスパージし、ＯＨ^－のＨＣＯ_３への変換をもたらした。ＨＣＯ_３ ^－の濃度は、以前に確立された較正曲線を使用して決定した。少量のＨ_２Ｏをこの溶液に添加し、スペクトルを記録して、ＨＣＯ_３ ^－分解を介して形成されたＣＯ_３ ^２－を定量化した（図１０Ａを参照されたい）。同じ実験を、増加量のＨ_２Ｏで繰り返して、Ｈ_２Ｏ依存性平衡定数を定量化した（図１０Ａを参照されたい）。重炭酸塩分解反応の平衡はまた、反応がＨＣＯ_３ ^－からＣＯ_３ ^２－にシフトするときにもＨ_２Ｏを生成するため、溶液中のＨ_２Ｏの量は、添加量よりも大きい。この余分なＨ_２Ｏを、Ｋａｒｌ－Ｆｉｓｈｅｒ （ＫＦ） Ｔｉｔｒａｔｉｏｎｓにより定量化した。

Ｋａｒｌ Ｆｉｓｃｈｅｒ滴定：ＫＦ滴定を実施して、以前に決定されたＨＣＯ_３ ^－及びＣＯ_３ ^２－を含有するシステム内の総水分量を決定した。本研究には、ＦＴＩＲにおいて使用されたセルと同じ容量のオーダーメイドの３Ｄ印刷されたセルを使用した。セル内のＣＨ_３ＯＨ、ＮａＨＣＯ_３、及び既知の量のＨ_２Ｏの溶液を、磁気撹拌器を使用して十分に混合した。２つのＣｕ電極を、セルの反対側の端部に設置し、セルの開回路電位（ＯＣＰ）を常に監視した。２０μｌのＫＦ滴定剤を、定期的にセルに添加し、終点をセルのＯＣＰの急激な増加によって検出した。この終点は、溶液中の合計Ｈ_２Ｏの指標である。したがって、ＦＴＩＲとＫＦ滴定の組み合わせは、ＨＣＯ_３ ^－、ＣＯ_３ ^２－及びＨ_２Ｏ濃度を提供することができ、２ＨＣＯ_３ ^－→ＣＯ_２＋ＣＯ_３ ^２－＋Ｈ_２Ｏに関する平衡定数は、以下の式を使用して計算することができる。

ここで、
反応化学量論のため、ＣＯ_２濃度は、溶解度の限界よりもはるかに小さい。図１０Ｂは、８ＭのＨ_２Ｏ濃度の周りに約３．８７のプラトーに到達する、Ｈ_２Ｏの増加に伴うｌｏｇ_１０Ｋの線形増加を示す。

ＣＯ_２捕捉の動態：８０％エチレングリコール（ＥＧ）及び２０％コリン水酸化物（ＣＨ）からなるＣＯ_２有機結合液体中に溶解した１．２ＭのＫＯＨからなる塩基性有機溶液を使用して、ＣＯ_２捕捉実験を実施した。エチレングリコールは、より高いＫＯＨの溶解度及びそのより高い沸点（約１９７℃）に起因して非水性溶媒として使用し、ＣＨは、ＣＯ_２捕捉に対する高親和性のために使用した。ＣＯ_２を溶解したＫＯＨからのＯＨ^－と反応する溶液にスパージして、ＨＣＯ_３を形成した。

最初に、ＨＣＯ_３ ^－濃度の増加に伴う有機溶液の抵抗における変動を測定することによって、較正曲線を取得した。較正溶液は、１．２Ｍの固定されたＫ^＋濃度、及び様々なＨＣＯ_３ ^－／ＯＨ^－濃度を有した。電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を使用して、溶液の抵抗を測定した。図１１Ａは、ＨＣＯ_３ ^－のモル分画の増加に伴う溶液の抵抗におけるほぼ線形の変化を示し、ＨＣＯ_３ ^－として化学的に吸着されたＣＯ_２を決定するために使用することができる。

約２μｍのサイズの効率的なガススパージャを使用して、室温（約２０℃）で約３ｍｌの体積の有機溶液との空気の接触を増加させた。溶液の抵抗における動的変化を、較正曲線を使用してＨＣＯ_３ ^－濃度に変換した。図１１Ｂは、平均速度約８．３μｍｏｌ／秒で溶液中に吸収されたＣＯ_２のモルにおける安定した増加を示す。ＣＯ_２捕捉の速度は、高いＣＯ_２溶解度を有するイオン性液体を使用することによって増加し得る。これらのイオン性液体は、分子ＣＯ_２の溶解濃度を増加させ、次いで、ＯＨ^－とのＣＯ_２の化学的吸着の速度を増加させる。

ユニットの乾燥側で捕捉したＣＯ_２の量を、水酸化物の重炭酸塩形成への変換によって定量化した。図１２を参照すると、流入ガス中のＣＯ_２の濃度が高いほど、重炭酸イオンで完全に飽和するのに必要な時間が短いことが観察された。

ＣＯ_２輸送及び放出の運動状態：印加された電界下で、有機溶液中のＨＣＯ_３ ^－は、水性電解質に向かって移動し、経時的にそのｐＨを減少させる。図２に示される電気化学セルを使用して、水性電解質中の電流及びｐＨ変化を測定した。ＣＯ_２放出実験は、クロノポテンショメトリを使用して実施し、総電流を２５ｍＡに固定した。ＨＣＯ_３ ^－は、有機溶液及びアニオン交換膜中の大部分の電荷担体であったため、ＨＣＯ_３ ^－の移動速度は、電流（Ｉ）に直接比例し、そのため
であり、Ｆがファラデー定数である。測定されたｐＨ及び
は、図１３に示されるＨＣＯ_３ ^－、ＣＯ_３ ^２－、溶解ＣＯ_２及び気体ＣＯ_２の濃度を計算するために使用され得る。水溶液中の炭素種の大部分は、溶解して気体のＣＯ_２である。溶解したＣＯ_２は約２５０分で横這いになる一方で、気体ＣＯ_２（点線）は、定常速度で溶液から連続的に放出される。６時間にわたって放出されたＣＯ_２の実験的に測定されたモルは、２．３ｍｍｏｌ／ｍ^２秒の記録的な流速を有した。

図１４を参照して、時間とともに移動したＣＯ_２の量を、湿潤側のｐＨ低下を観察することによって定量化した。

電気化学セルは、４ｃｍ^２のアニオン交換膜面積を有したため、ＣＯ_２の輸送及び放出の合計速度は、図１１のＣＯ_２捕捉速度より約８倍小さい約１μｍｏｌ／秒であった。したがって、約８μｍｏｌ／秒の最大ＣＯ_２放出速度は、電流又は膜面積を８倍にすることによって達成することができる。このプロセスのエネルギー消費量は、主に印加されたセル電位によって決定され、これは現在のプロセスに関して約６Ｖであった。イオン性液体を添加することにより、印加したセル電位を実質的に減少させることができ、これはまた有機溶液のＣＯ_２捕捉能力も増加させることが観察された。また、有機溶液のＨ_２Ｏ取り込みを減少させるために、イオン性液体特性を調整することができることも観察された。

表１は、様々な既知の材料及び本開示の材料のＣＯ_２捕捉流速の比較を示す。

図１５Ａは、移動プロセスにおける捕捉及び還元プロセスの両方の統合の効果を示す。図１５に示されるように、重炭酸イオンの一定の供給源が存在したため、改善された性能が統合からもたらされた。この設定で使用した水性電解質は、０．１ＭのＫＯＨであった。

図１５Ｂは、移動プロセスに対する湿度の効果を示す。この試験では、水性電解質は、１ＭのＫＣｌ及び０．１ＭのＫＨＣＯ_３であった。非水性捕捉溶液を、約９５℃において維持し、シミュレートされた流入ガスは、２５℃の煙道ガスであった。

実施例３：還元
様々な還元触媒を、ハロゲン化物媒介Ｃｕ、微小立方体Ｃｕ、及びＣｕメッシュを含んで試験した。Ｃｕメッシュは、図１６に示されるように、最高の還元効率を提供することが観察された。使用した実験的設定は、図５Ａに示される。

発泡体触媒、＃１００メッシュ、及び＃４０メッシュＣｕ触媒の比較は、図１７Ａ及び図１７Ｂに示される。発泡体は、リース効果のある触媒であることが見出された。発泡体中の細孔は、生成物ガス気泡が容易に抜け出すには小さすぎたと考えられる。＃１００メッシュは、＃４０メッシュよりもより良好に実施されることが見出された。＃１００メッシュでは、細孔が、気泡が絶えず抜け出すことを可能にするために十分に大きく、＃１００メッシュは、＃４０メッシュと比較してより大きい露出表面積を有したと考えられる。

実施例４：還元効率
システムの還元効率は、本開示に従って還元ユニットをシミュレートする図５Ａにおいて例解されるように、セルを使用して試験された。電解質は、様々な体積比のＫＣｌとＫＨＣＯ_３の組み合わせであった。ＫＨＣＯ_３が、ＣＯ_２の還元を促進しながら、ＫＣｌが、支持電解質として機能することが観察され、より高い電流密度を達成するのに役立った。還元ユニットには、Ｃｕメッシュ触媒が含まれた。以下に説明されるような振動電位を調節して、還元ユニットの最大効率を決定した。還元ユニットを電解質の再循環とともにフロースルーモードで操作し、ＣＯ_２をユニット内に流した。図５Ｄを参照すると、約６０％の高いファラデー効率が、約１０ｍＡの部分電流で取得された。

図１８及び図１９を参照すると、電流密度における増加は、図５Ｂに例解された還元ユニットにおいて例解されるように、Ｃｕメッシュの積層を提供するためにＣｕメッシュの数を増加させることによって達成された。Ｃｕメッシュの積層が多孔質電極アンサンブルのように振る舞うと考えられる。

正弦波及び矩形波振動（図２０Ａ）を、選択性の改善におけるそれらの有効性について試験した。振動電位は、表面におけるＣＯ_２濃度の枯渇を還元することによって、及びＣ_２＋選択性を制御するためにＣｕ（Ｉ）還元性の利点を取ることによって、選択性を改善する。図２０Ａ及び図２０Ｂに例解されるように、矩形波振動が、より効果的であった。

予想される実施例
予想される実施例１
直接空気捕捉（ＤＡＣ）のための性能曲線は、様々な特性、すなわち、水吸着、水透過性、イオン交換能力、イオン伝導性、イオン選択性、ＣＯ_２拡散性、多孔性、及び膜厚について、最先端の商用アニオン交換膜（ＡＥＭ）（Ｅｘｃｅｌｌｉｏｎ ＡＥＭ、Ｆｕｍａｔｅｃｈ ＦＡＡ、Ｆｕｊｉｆｉｌｍ、Ｎｏｖａｓｅｐ、Ｓｅｌｅｍｉｏｎ ＡＭＶ、Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＡＭＩ、Ｔｏｋｕｙａｍａ Ｎｅｏｓｅｐｔａ、及びＲｅｓｉｎｔｅｃｈ ＡＭＢ）に関して測定され得る。

ＣＯ_２捕捉及び分離効率は、ＡＥＭによって分離された液体チャンバ（左）及びガスチャンバ（右）からなる、図２１に示されるような、好適な実験的設定を使用して、「乾燥」側での水流速及び「湿潤」側での溶解ＣＯ_２濃度を直接定量化することによって測定することができる。所望される場合、ＡＥＭ内の水分勾配は、ガスチャンバのＲＨ及び温度を制御する温度制御式除湿機を使用して調節することができる。電解質中に捕捉されるＣＯ_２の量は、キャリアガスを電解質を通して掃引し、ガスクロマトグラフィーを使用して定量化することによって測定することができる。代替的に、溶解したＣＯ_２とｐＨとの間で較正曲線を表面化させることができ、ｐＨプローブを使用して、溶解したＣＯ_２濃度を間接的に測定することができる。ガスチャンバへのＨ_２Ｏ流速は、出口における調湿器を使用して測定することができる。補給Ｈ_２Ｏは、電解質の体積を一定に保つことができる。

次に、最も有望なＡＥＭの物理的特性は、異なる動作条件下で、より高いＣＯ_２分離及び捕捉効率を用いて実験的に測定することができる。Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２吸収等温線、イオン交換容量、ＨＣＯ_３ ^－、Ｈ_２Ｏ、及びＣＯ_２の拡散係数は、以前に開発された拡散セル設定を使用して測定することができる。より具体的には、ＡＥＭのイオン交換容量は、電位差Ｍｏｈｒ滴定を使用して測定することができ、ここで、ＡＥＭは、所望の場合、まずＣｌ^－形態に変換し、次いで、例えば、１ＭのＫＮＯ_３溶液に２４時間浸漬することによって活性化され得る。交換されたＣｌ^－イオンの量は、ＡｇＮＯ_３での電位差滴定によって決定される。Ｈ_２Ｏ取り込み／吸着等温線は、重量分析を使用して決定することができ、ＡＥＭが、まずＨＣＯ_３ ^－形態に交換され、続いて、湿度制御チャンバ内で、２４時間、その平衡化が行われ得る。

ＨＣＯ_３ ^－形態のＡＥＭの導電性は、湿度制御チャンバ内の２つのプローブ平面内インピーダンス分光法を使用して測定することができる。ＣＯ_２吸着及び拡散係数を測定するために、ＣＯ_２が上流側に導入され、ＡＥＭを通じて拡散された後に、還元電流を記録することができる、ＡＥＭの下流面上に好適な電極を有する拡散セルにおいてクロノアンペロメトリを実施することができる。過渡電流密度データは、ＣＯ_２吸着及び拡散係数を取得するために、フィックの拡散の第二法則の解析溶液に適合させることができる。拡散係数及び等温線は、異なるＲＨ及び温度について測定することができる。

本明細書の原理に従い、より低いＣＯ_２拡散係数を有するＡＥＭは、より高いＣＯ_２分離効率を有することができ、より高いＨＣＯ_３ ^－拡散係数は、より高いＣＯ_２捕捉効率を支持することができ、より低いＨ_２Ｏ透過性は、空気を除湿するのに必要なエネルギーを還元することができる。測定された物理的特性及び性能測定基準は、ＤＡＣのための特性－性能関係を取得するために関連することができる。

次に、ＣＯＭＳＯＬシミュレーションが、これらの測定された物理的特性を使用して実施されて、ＣＯ_２分離及び捕捉効率を最大化するために、温度、電解質のイオン強度、ＲＨ、空気組成物、空気流量、電解質流量、ＣＯ_２圧力、及びＨ_２Ｏ流速などの最適な動作条件を識別することができる。換言すると、シミュレーションは、最適な動作条件を識別し、ＣＯ_２捕捉及び輸送の機構を解明し、特定のシステムに基づいて、ＣＯ_２分離及び捕捉効率を改善するための分析結果を提供するために使用され得る。例えば、かかる分析結果は、ＣＯ_２のより高い逆拡散、より高いＨ_２Ｏ流速、又はより低いＨＣＯ_３ ^－流速が、ＣＯ_２捕捉及び分離効率を制限しているかどうかを識別する。ＣＯＭＳＯＬシミュレーションは、質量、電荷、エネルギー、及び運動量バランス式を解くことができ、ここで、種の輸送は、ネルンストプランクの式を使用して説明することができ、イオン平衡は、酸塩基反応を使用してモデル化され、「乾燥」及び「湿潤」界面におけるＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の分画は、水吸着及びＣＯ_２吸収等温線を使用して定義することができ、イオンのドナン平衡は、「湿潤」界面で印加することができ、水依存性ＣＯ_２捕捉及び放出反応は、「乾燥」及び「湿潤」界面において実装することができる。

これらのシミュレーションから取得された最適な動作条件は、異なる地理的場所の空気の質及び温度に基づいて、ＣＯ_２捕捉プロセスシステム、デバイス、ユニット、及びプロセスの開発を導くことができ、そのため、捕捉されたＣＯ_２速度は、最適なＣＯ_２変換速度と一致する。有望なＡＥＭの物理的特性が、標的ＣＯ_２捕捉速度に有利でない場合、Ｈ_２Ｏ吸着及び透過性並びにＣＯ_２拡散係数は、ＣＯ_２捕捉性能を改善させるために熱アニーリングによって修正され得る。熱アニーリングは、ポリマー膜の形態及び結晶性を調整するための簡易経路であり、ガス及びＨ_２Ｏ透過性を低減するために使用することができる。マトリックスの結晶性における増加は、気体が非晶質ドメイン中ではるかに可溶性であるため、より低いＣＯ_２溶解度をもたらし得る。更に、より大きい結晶体は、バリアとして作用し、ガス及びＨ_２Ｏ分子のための拡散経路の蛇行を増加させ得る。ＡＥＭの熱アニーリングは、拡散セル内で使用する前に、特定の温度（１６０～２００℃）の真空オーブンなどの好適な環境で、２４時間などの好適な時間、続いて、１ＭのＫＯＨ電解質などの好適な溶液に浸すことによって行われ得る。中間温度（約１６０℃）は、超高温が、より低いＣＯ２透過性に必要とされる、ＡＥＭの結晶性を低減し得るため、ＣＯ２透過性における低減に有利であり得る。加えて、ＣＯ_２捕捉のより高い性能は、中空繊維モジュール又は多孔質炭素基板のいずれかを使用して膜界面面積を増加させることによって達成することができる。

予想される実施例２
本明細書の原理に従い、本格的な電気化学モデルが、統合されたＣＯ_２捕捉及び変換システムに関する設計を知らせるために、ＣＯＭＳＯＬで構成され得る。シミュレーションは、最小限の電力消費で最大ＣＯ_２稼働率を達成するために、プロトタイプの幾何学形状及び動作条件を最適化することができる。Ｓｉｎｇｈらの「Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｅｌｌｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＯ_２ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｓｔｓ」によって記載された電気化学セルのためのＣＯＭＳＯＬシミュレーションを使用して、完全に統合されたシステムにおける分極損失、種分布、及び電力効率を計算することができる。このＣＯＭＳＯＬシミュレーションは、触媒層、電解質、及び膜セパレータの電圧損失を計算することができ、（ｉ）電気触媒の動態荷電圧、（ｉｉ）電解質及び膜の導電率及び移動数、（ｉｉｉ）ＣＯ_２流量、分圧、及び温度などの動作条件、並びに（ｉｖ）構成要素の物理的な寸法に依存する。ＣＯＭＳＯＬシミュレーションは、質量、電荷、エネルギー、及び運動量のバランス式を解くことができ、種の輸送は、ネルンストプランクの式を使用して説明することができ、電解質中のイオン平衡は、酸塩基反応を使用してモデル化することができ、酸素進化反応（ＯＥＲ）及びＣＯ_２還元反応（ＣＯ_２ＲＲ）反応は、バトラーボルマー式を使用して説明することができ、電解質中の混合パターンは、ナビエストークスの式によって説明することができ、ＣＯ_２捕捉及び分離は、以下に説明されるようにモデル化することができる。総セル電圧は、ＯＥＲ及びＣＯ_２ＲＲに関する平衡電位Ｅ^０及び動態荷電圧η、電解質及び膜中の溶液損失
並びに電極におけるネルンスティアン損失
の合計として表すことができ、

セル電圧及び動作電流密度は、好適な触媒カソード、ＩｒＯ_２アノード、０．１～１ＭのＫＯＨ／塩化コリンハイブリッド電解質、膜と電極との間の２～１０ｍｍの間隔、境界層の０．０１～０．１ｍｍの厚さ、及び周囲条件での５～１００ｓｃｃｍの空気流量からなるプロトタイプ構成についてＣＯＭＳＯＬで計算することができる。最適な幾何学形状及び動作条件が決定され得、統合されたシステムの設計及び製造のために使用することができる。

統合されたシステムの印刷、組み立て、性能評価
図８（上）は、ＣＯ_２捕捉ユニットが触媒系ガス拡散電極（ＧＤＥ）として機能するアニオン交換膜と統合され得る、例示的な電気化学セルの初期ＣＡＤ設計を示す。所望の場合、シャーシは、ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ（登録商標）で設計し、Ｆｏｒｍ ２ ＳＬＡ ３Ｄ印刷機を使用して、３Ｄ印刷され得る。Ｆｏｒｍ ２印刷機は、４０５ｎｍレーザーによって活性化されたＣｌｅａｒ ＦＬＧＰＣＬ０４樹脂を利用して、１５０μｍの横方向及び２５μｍの軸方向の解像度で光学的にクリアな部品を印刷することができる。樹脂は、広範囲の溶媒及びｐＨ範囲に化学的に耐性を有し得る。

洗浄後の３Ｄ印刷された部品は、支持体を取り外し、市販の紫外線ランプ下で２０分間硬化させることで仕上げることができる。組み立てられたデバイスは、図５（下）に示される。ＧＤＥは、多孔質炭素紙（基板及び集電体）の一方の側上で、触媒、炭素粒子（電気伝導性を高めるため）、及びＡＥＭアイオノマー（炭素捕捉のため）からなるインクのスプレーコーティングによって作製することができる。炭素紙の反対側は、所望の場合、ＡＥＭアイオノマーのみでコーティングすることができる。

炭素紙のＡＥＭコーティング側は、ＣＯ_２，を捕捉することができ、反対側は、ＣＯ_２をＣＯ又は他の出力に変換することができる。活性及び選択性に対するＡＥＭアイオノマーと触媒との間の相互作用の効果はまた、フローセル設定を使用して評価することもできる。代替的に、電気紡績法を使用して、同じ構成及びインク組成物を有するＧＤＥ電極を作製して、長期使用のための電極の安定性を高めることができる。ＡＥＭアイオノマー及び触媒の相対濃度／面積は、ＣＯ_２捕捉速度と変換速度を一致させるように調節することができる。

本開示のシステムでは、還元触媒を利用することによって改善された変換効率を取得することができ、ゼロギャップ電解器構成を使用してＣＯ_２捕捉ＡＥＭから分離することができる。この構成では、中空繊維モジュール上にコーティングされたＡＥＭアイオノマーは、触媒の近くに設置することができ、そのため、ＣＯ_２は、中空繊維モジュールを使用して捕捉され、ゼロギャップ（＜１ｍｍの空間）で電解質に移行することができ、次いで、溶解したＣＯ_２を合成ガスに変換することができる。

異なる印加電位におけるクロノアンペロメトリ実験は、経時的に（ガスクロマトグラフィーを使用して）ＣＯ及びＨ_２の生成を測定するために、完全に自動化された統合デバイス上で実施されて、ＣＯ_２捕捉及び変換の有効性を評価することができる。デバイスの安定性及び寿命を決定するＡＥＭの分解、触媒の凝集、又はＡＥＭ上の塩形成などの制限因子は、実験的に識別され、本格的な電気化学モデルを使用して分析することができる。更に、動作条件を最適化した後、統合されたシステムの長期的な性能（少なくとも１００～５００時間以上）は、完全に自動化されたシステム内で研究することができる。

電解質のｐＨは、ＣＯ_２還元生成物の選択性に影響を与えるために、これらのクロノアンペロメトリック実験において変化させて、ＣＨ_４、ＨＣＯＯＨ、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ及び同様のものなどの他の付加価値生成物に対してより選択的にすることができる。

本明細書の原理に従い、様々なアニオン交換膜（ＡＥＭ）中のＨ_２Ｏ及びＨＣＯ_３ ^－の対拡散をカスタマイズして、空気中からのＣＯ_２捕捉のための特性－性能関係を開発し、統合されたシステム中のＣＯ_２輸送及び変換に関する機構的実体を明らかにし、ＣＯ_２変換に対するアイオノマー－触媒相互作用の効果を調べ、空気中からＣＯ_２を吸着し、Ｏ_２及びＨ_２Ｏを放出し、及び産業用の合成ガス又は他の製品を生成することができる、スタンドアロン及びモジュールデバイス並びにシステムを開発することができる。

本明細書に記載される技術情報は、いくつかの点で、添付の特許請求の範囲によって独占的に定義される本発明の開示を超える場合がある。追加の技術情報は、実際の発明をより広範な技術的文脈に設置し、可能性のある関連技術開発を例解するために提供される。添付の特許請求の範囲内ではない、そのような追加の技術情報は、本発明の一部ではない。

本発明の特定の実施形態を詳細に示し、説明してきたが、本発明のより広い態様において、本発明から逸脱することなく、変更及び修正が行われ得ることは、当業者には明らかであろう。したがって、目的は、本発明の真の趣旨及び範囲内に含まれる全てのそのような変更及び修正をカバーすることである。前述の説明及び添付の図面に記載される事項は、例示のためにのみ提示され、限定として提示されるものではない。本発明の実際の範囲は、従来技術に基づいてそれらの適切な視点から見たとき、後続の特許請求の範囲によって定義される。

Claims (59)

1. 流入ガスからＣＯ_２を捕捉するための活性ＣＯ_２捕捉ユニットであって、
   入口であって、流入ガスがそれを通して前記ユニット内に導入される、入口と、
   前記流入ガスと接触して、前記流入ガスからＣＯ_２を化学的に吸着し、前記化学的に吸着されたＣＯ_２をＯＨ^－と反応させることによってＨＣＯ_３ ^－に変換するように配置された、ＯＨ^－を含有する非水性のＣＯ_２結合性有機液体を含む非水性領域と、
   前記非水性領域の下流に配置された水性領域であって、水性領域界面において、前記ＨＣＯ_３ ^－が、Ｈ_２Ｏと相互作用し、ＣＯ_２及びＣＯ_３ ^２－に分解する、水性領域と、
   前記非水性領域から前記水性領域へのＨＣＯ_３ ^－の拡散及び移動を促進するために、前記非水性領域と前記水性領域との間に配設されたアニオン交換膜と、
   前記水性領域の下流に配設された、捕捉ＣＯ_２出口と、を備える、活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
2. 前記非水性領域の上流に配置されたカソード、前記水性領域の下流に配置されたアノードを更に含み、前記水性領域が水性電解質を含み、そのため、電界が前記捕捉ユニット内で生成されるように適合されている、請求項１に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
3. 前記非水性のＣＯ_２結合性有機液体が、イオン性液体を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
4. 前記イオン性液体が、イミダゾリウム系又はホスホニウム系である、請求項３に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
5. 前記非水性のＣＯ_２結合性有機液体が、コリン水酸化物、テトラブチルホスホニウムメタンスルホネート、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェートからなる群から選択される、１つ以上のイオン性液体を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
6. 前記非水性のＣＯ_２結合性有機液体が、非水性極性有機溶媒を含む、請求項５に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
7. 前記非水性極性有機溶媒が、１つ以上のアルコール、有機アミジン塩基、及びグアニジン塩基を含む、請求項６に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
8. 前記有機溶媒が、エチレングリコール、メタノール、及びエタノールのうちの１つ以上を含む、請求項７に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
9. 前記非水性領域が、前記非水性のＣＯ_２結合性有機液体中に溶解したアルカリ金属水酸化物を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
10. 前記水性領域が、水性電解質及び水のうちの一方又は両方を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
11. 流入ガスからＣＯ_２を捕捉するための活性ＣＯ_２捕捉ユニットであって、
    入口であって、流入ガスがそれを通して前記ユニット内に導入される、入口と、
    前記流入ガスが導入される非水性乾燥領域と、
    カソードであって、前記カソードが、Ｈ_２Ｏ源から受容されたＨ_２ＯをＨ_２及びＯＨ^－に分解するように構成されており、前記ＯＨ^－が、前記乾燥領域に流れるように、前記乾燥領域の上流に配置され、前記Ｈ_２Ｏ源と流体連通し、かつ前記乾燥領域と流体連通し、前記乾燥領域において、ＯＨ^－が、前記流入ガスと相互作用して、前記流入ガスからＣＯ_２を化学的に吸着し、前記化学的に吸着されたＣＯ_２をＯＨ^－と反応させることによって、ＨＣＯ_３ ^－に変換する、カソードと、
    前記非水性領域の下流に配置された加湿ガスを含む水性領域であって、水性領域界面において、前記ＨＣＯ_３ ^－が、Ｈ_２Ｏと相互作用し、ＣＯ_２及びＣＯ_３ ^２－に分解する、水性領域と、
    前記非水性領域から前記水性領域へのＨＣＯ_３ ^－の拡散及び移動を促進するために、前記非水性領域と前記水性領域との間に配設されたアニオン交換膜と、
    前記水性領域の下流に配置されたアノードと、
    前記水性領域の下流に配設された、捕捉ＣＯ_２出口と、を備える、活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
12. 前記Ｈ_２Ｏの分解中に前記カソードにおいて生成されたＨ_２が、前記カソードから離れる方向に流れることを可能にするように構成された、Ｈ_２出口を更に備える、請求項１１に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
13. 前記アノードが、平面及び／又は多孔質アノードである、請求項２、１１又は１２に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
14. 前記カソードが、多孔質カソードである、請求項１３に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
15. 前記アノードが、多孔質アノードである、請求項１３又は１４に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
16. 前記流入ガスが、人為的なＣＯ_２源である、先行請求項のいずれか一項に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
17. 前記人為的なＣＯ_２源が、空気又は煙道ガスである、請求項１６に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
18. 前記アニオン交換膜が、中空繊維構造を含む、先行請求項のいずれか一項に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
19. 前記アニオン交換膜が、水酸化物、炭酸塩、及び／又は重炭酸塩部分でポリマー骨格樹脂に付着した四級アミン又はホスホニウムを含む、先行請求項のいずれか一項に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
20. 前記ポリマー骨格が、ポリスチレンである、請求項１９に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニット。
21. 活性ＣＯ_２捕捉及び生成物ガスへのＣＯ_２還元のためのシステムであって、
    先行請求項のいずれか一項に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニットと、
    還元ユニットであって、前記還元ユニットが、前記ＣＯ_２捕捉出口から捕捉されたＣＯ_２を受容するように、前記活性ＣＯ_２捕捉ユニットの下流に配置され、前記還元ユニットが、
    前記捕捉されたＣＯ_２をＣＯ_２捕捉出口から受容するための還元ユニット入口であって、前記還元ユニットが、前記捕捉されたＣＯ_２の還元用触媒を含み、前記触媒は、前記捕捉されたＣＯ_２が前記還元ユニットを通って前記触媒と接触するように流れるように配置され、前記触媒と接触すると、前記捕捉されたＣＯ_２が、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、ＣＨ_３ＣＯＯＨ、ＣＨ_３ＯＨ、ＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_６、ＣＯ及びＨ_２のうちの１つ以上を含む生成物ガスに還元される、還元ユニット入口を備える、還元ユニットと、
    前記還元ユニットの下流に配置され、前記還元ユニットと流体連通して、ＣＯ_２還元のためのプロトン及び副生成物としてのＯ_２を生成する、Ｈ_２Ｏの酸化用触媒であって、前記酸化用触媒が、アノードである、触媒と、
    前記還元用触媒と前記酸化用触媒との間に配置されたセパレータと、
    エネルギー源と、を含む、システム。
22. 前記還元用触媒が、銅メッシュである、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記銅メッシュが、約４０～約１２０メッシュのメッシュサイズを有する、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記触媒が、金属ナノ結晶を含む、請求項２１に記載のシステム。
25. 前記金属ナノ結晶が、Ｃｕナノ結晶を含む、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記Ｃｕナノ結晶が、ドミネート（１００）ファセットを有するＣｕナノキューブである、請求項２５に記載のシステム。
27. 前記金属ナノ結晶が、メッシュ基板上で成長させたものである、請求項２４～２６のいずれか一項に記載のシステム。
28. 前記酸化用触媒が、Ｎｉ、Ｆｅ－Ｎｉ、ＰｔコーティングされたＴｉ、Ｉｒ、及びＲｕのうちの１つ以上の酸化物を含む、請求項２１～２７のいずれか一項に記載のシステム。
29. 前記活性ＣＯ_２捕捉ユニット及び前記還元ユニットが、約５ｍｍ～約２０ｍｍの距離、離間されている、請求項２１～２８のいずれか一項に記載のシステム。
30. 前記エネルギー源が、光セル及び／又は電気化学セルを含む、請求項２１～２９のいずれか一項に記載のシステム。
31. 前記生成物ガスのための出口から空間的に分離されて配置された前記Ｏ_２副生成物のための出口を更に備える、請求項２１～３０のいずれか一項に記載のシステム。
32. 請求項１～２０のいずれか一項に記載の活性ＣＯ_２捕捉ユニットを使用してＣＯ_２を捕捉する方法であって、
    ＣＯ_２を化学的に吸着し、前記非水性領域内に存在するＯＨ^－によって、前記ＣＯ_２をＨＣＯ_３ ^－に変換するために、前記流入ガスを前記入口及び前記非水性領域に流すことと、
    前記ＨＣＯ_３ ^－を前記アニオン交換膜を横断して、前記水性領域に流すことであって、前記ＨＣＯ_３ ^－の流れが、前記アニオン交換膜を横断する水分の勾配によって少なくとも部分的に駆動されており、前記水性領域への前記ＨＣＯ_３ ^－の流入時、前記ＨＣＯ_３ ^－が、前記水性領域内に存在するＨ_２Ｏと相互作用し、ＣＯ_２及びＣＯ_３ ^２－に分解する、流すことと、
    前記水性領域から前記捕捉ＣＯ_２出口に前記ＣＯ_２を流すことと、を含む、方法。
33. 前記Ｈ_２ＯのＨ_２及びＯＨ^－への分解用の前記カソードにＨ_２Ｏを流すことと、前記ＯＨ^－を前記非水性領域に流すことと、を更に含む、請求項３２に記載の方法。
34. 前記アニオン交換膜を横断する電界を印加して、前記アニオン交換膜を横断するＨＣＯ_３ ^－の移行速度を増加させることを更に含む、請求項３２又は３３に記載の方法。
35. ＣＯ_２を捕捉し、及び請求項２１～３１のいずれか一項に記載のシステムを使用して、Ｃ_３Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、ＣＨ_３ＣＯＯＨ、ＣＨ_３ＯＨ、ＣＨ_４、ＣＯ、及びＨ_２のうちの１つ以上を含む生成物ガスにＣＯ_２を還元するための方法であって、
    ＣＯ_２を化学的に吸着し、前記非水性領域内に存在するＯＨ^－によって、前記ＣＯ_２をＨＣＯ_３ ^－に変換するために、前記流入ガスを前記入口及び前記非水性領域に流すことと、
    前記ＨＣＯ_３ ^－を前記アニオン交換膜を横断して、前記水性領域に流すことであって、前記ＨＣＯ_３ ^－の流れが、前記アニオン交換膜を横断する水分の勾配によって少なくとも部分的に駆動されており、前記水性領域への前記ＨＣＯ_３ ^－の流入時、前記ＨＣＯ_３ ^－が、前記水性領域内に存在するＨ_２Ｏと相互作用し、ＣＯ_２及びＣＯ_３ ^２－に分解し、それによって、捕捉されたＣＯ_２をもたらす、流すことと、
    前記捕捉されたＣＯ_２を前記水性領域から前記捕捉ＣＯ_２出口に流すことと、
    前記捕捉されたＣＯ_２を前記捕捉ＣＯ_２出口から前記還元ユニットに流すことであって、前記触媒との接触時、前記捕捉されたＣＯ_２が、Ｃ_３Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、ＣＨ_３ＣＯＯＨ、ＣＨ_３ＯＨ、ＣＨ_４、ＣＯ、及びＨ_２のうちの１つ以上を含む前記生成物ガスに還元された、流すことと、
    前記生成物ガスを還元ユニット出口に流すことと、を含む、方法。
36. 前記流入ガスが、約２０～１２０℃の温度を有する、請求項３２～３５のいずれか一項に記載の方法。
37. 希釈源からのＣＯ_２の捕捉及び還元のためのシステムであって、
    ＣＯ_２捕捉ユニットであって、
    入口であって、流入ガスがそれを通して前記ユニット内に導入される、入口と、
    前記流入ガスと接触して、前記流入ガスからＣＯ_２を化学的に吸着し、前記化学的に吸着されたＣＯ_２をＯＨ^－と反応させることによってＨＣＯ_３ ^－に変換するように配置された、ＯＨ^－を含有する非水性のＣＯ_２結合性有機液体を含む非水性領域と、
    前記非水性領域の下流に配置された水性領域であって、水性領域界面において、前記ＨＣＯ_３ ^－が、Ｈ_２Ｏと相互作用し、ＣＯ_２及びＣＯ_３ ^２－に分解する、水性領域と、
    前記非水性領域から前記水性領域へのＨＣＯ_３ ^－の拡散及び移動を促進するために、前記非水性領域と前記水性領域との間に配設されたアニオン交換膜と、を備える、ＣＯ_２捕捉ユニットと、
    前記捕捉ユニットの上流に配置され、前記捕捉ユニットの前記非水性領域と流体連通しているＨ_２Ｏ源入口、Ｈ_２出口、及びＯＨ^－出口を含んで、前記捕捉ユニットの前記非水性領域にＯＨ^－を流すカソードと、
    前記捕捉ユニットから前記捕捉されたＣＯ_２の流れを受容するために前記水性領域のすぐ下流に配置された還元ユニットであって、前記還元ユニットが、前記捕捉されたＣＯ_２の還元用触媒及び生成物ガス出口を備え、そのため、前記捕捉されたＣＯ_２が前記触媒と接触するように前記還元ユニットを通して流れ、前記触媒との接触時、前記捕捉されたＣＯ_２が、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、ＣＨ_３ＣＯＯＨ、ＣＨ_３ＯＨ、Ｃ_３Ｈ_６、ＣＨ_４、ＣＯ、及びＨ_２のうちの１つ以上を含む生成物ガス、並びに前記生成物ガス出口から流出した場合には前記生成物ガスに還元される、還元ユニットと、
    前記還元ユニットの下流に配置され、Ｈ_２Ｏの酸化用触媒となるように適合されたアノードであって、Ｈ_２Ｏの酸化が、前記還元ユニット用のプロトン、及び副産物としてＯ_２を生成し、前記アノードが、前記還元ユニットと流体連通して、前記プロトンを前記還元ユニット、及び前記生成物ガス出口から空間的に分離したＯ_２出口に流して、Ｏ_２を除去する、アノードと、
    前記還元ユニットと前記アノードとの間に配置されたセパレータと、
    エネルギー源と、を含む、システム。
38. 前記還元用触媒が、銅メッシュである、請求項３７に記載のシステム。
39. 前記銅メッシュが、約４０～約１２０メッシュのメッシュサイズを有する、請求項３８に記載のシステム。
40. 前記触媒が、金属ナノ結晶を含む、請求項３９に記載のシステム。
41. 前記金属ナノ結晶が、Ｃｕナノ結晶を含む、請求項４０に記載のシステム。
42. 前記Ｃｕナノ結晶が、ドミネート（１００）ファセットを有するＣｕナノキューブである、請求項４１に記載のシステム。
43. 前記金属ナノ結晶が、メッシュ基板上で成長させたものである、請求項４０～４２のいずれか一項に記載のシステム。
44. 前記酸化用触媒としての前記アノードが、Ｎｉ、Ｆｅ－Ｎｉ、ＰｔコーティングされたＴｉ、Ｉｒ、及びＲｕのうちの１つ以上の酸化物を含む、請求項３７～４３のいずれか一項に記載のシステム。
45. 前記活性ＣＯ_２捕捉ユニット及び前記還元ユニットが、約５ｍｍ～約２０ｍｍの距離、離間されている、請求項３７～４４のいずれか一項に記載のシステム。
46. 前記エネルギー源が、光セル及び／又は電気化学セルを含む、請求項３７～４５のいずれか一項に記載のシステム。
47. 前記アノードが、平面又は多孔質アノードである、請求項３７～４６のいずれか一項に記載のシステム。
48. 前記カソードが、多孔質カソードである、請求項４７に記載のシステム。
49. 前記流入ガスが、人為的なＣＯ_２源である、請求項３７～４８のいずれか一項に記載のシステム。
50. 前記人為的なＣＯ_２源が、空気又は煙道ガスである、請求項４９に記載のシステム。
51. 前記アニオン交換膜が、中空繊維構造を含む、請求項３７～５０のいずれか一項に記載のシステム。
52. 前記アニオン交換膜が、水酸化物、炭酸塩、及び／又は重炭酸塩部分でポリマー骨格樹脂に付着した四級アミン又はホスホニウムを含む、請求項３７～５１のいずれか一項に記載のシステム。
53. 前記ポリマー骨格が、ポリスチレンである、請求項５２に記載のシステム。
54. 前記水性領域が、水性電解質を含み、そのため電界が、前記捕捉ユニット内で生成されるように適合されている、請求項３７～５３のいずれか一項に記載のシステム。
55. 前記非水性のＣＯ_２結合性有機液体が、コリン水酸化物、テトラブチルホスホニウムメタンスルホネート、及び１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェートからなる群から選択される、１つ以上のイオン性液体を含む、請求項３７～５４のいずれか一項に記載のシステム。
56. 前記非水性のＣＯ_２結合性有機液体が、非水性極性有機溶媒を含む、請求項５５に記載のシステム。
57. 前記有機溶媒が、エチレングリコール、メタノール、及びエタノールのうちの１つ以上を含む、請求項５６に記載のシステム。
58. 前記非水性領域が、前記非水性のＣＯ_２結合性有機液体中に溶解したアルカリ金属水酸化物を含む、請求項３７～５７のいずれか一項に記載のシステム。
59. 前記水性領域が、水性電解質及び水の一方又は両方を含む、請求項３７～５８のいずれか一項に記載のシステム。

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