KR102564219B1 - 이산화탄소를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법들 및 생성물들 - Google Patents

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Abstract

본 개시내용은 이산화탄소를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하기 위한 방법, 시스템 및 생성물에 관한 것이다. 소정 실시예에서, 본 개시내용은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 베타 입자로 활성화된 고 밴드-갭 반도체에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 단계를 포함한다.

Description

이산화탄소를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법들 및 생성물들
우선권 주장
본원은 2018년 12월 21일에 출원된 호주 가출원 2018904898에 대한 우선권을 주장하며, 그 내용은 그 전체가 본 명세서에 참조되어 본 발명의 일부를 이룬다.
본 개시내용은 이산화탄소를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법, 시스템 생성물에 관한 것이다.
이산화탄소(CO2)의 생성은 지구 온난화에 기여하는 요인으로 널리 여겨지고 있다. 이는 CO2 축적을 방지하기 위한 새로운 기술을 개발하는 것이 매우 바람직하다는 인식으로 이어졌다.
고 다공성 물질 내의 가스의 세정 또는 격리와 같은 공정을 통한 제거를 포함하여, 순 대기 배출을 감소시키기 위한 다양한 기술이 개발되어 왔다. 그러나, CO2를 감소시키는 또 다른 수단은 물질을 상업적으로 유용한 화합물, 예를 들어, 자체적으로 전력을 생산하는데 사용될 수 있는 메탄과 같은 고 에너지 화합물 또는 기타 상업적 공정에서 사용될 수 있는 화합물로 전환하는 것이다.
CO2를 다른 상업적으로 유용한 화합물로 전환시키는 공정이 알려져 있지만, 이러한 공정은 일반적으로 많은 양의 입력 에너지를 포함하고, 다른 화합물의 사용에 의존하며, 및/또는 CO2의 대규모 전환에 비효율적이다. 예를 들어, 일부 광촉매 전환 시스템이 개발되었지만, 여전히 비효율적이다.
따라서, 이산화탄소를 상업적으로 유용한 화합물, 특히 발전에 사용될 수 있는 고 에너지 화합물로 전환시키는 새로운 공정을 개발하는 것이 바람직할 것이다.
본 개시내용은 이산화탄소를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법 및 생성물에 관한 것이다.
본 개시내용의 소정 실시예는 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 베타 입자로 활성화된 고 밴드-갭 반도체에 노출시키는 단계, 및 이러한 노출시키는 단계에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 고에너지 베타 입자(energetic beta particles)에 의해 전자적 여기가 발생하는 고 밴드-갭 반도체를 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 고 밴드-갭 반도체에 결합된 베타 입자 방출 방사성 핵종에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 방사성 핵종으로부터의 베타 입자에 의해 활성화된 고 밴드-갭 반도체에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물의 제조하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하기 위해 본 명세서에 기재된 바와 같은 방법을 사용하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 베타 입자로 활성화된 고 밴드-갭 반도체에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 고에너지 베타 입자에 의해 전자적 여기가 발생하는 고 밴드-갭 반도체를 CO2 및/또는 이와 관련된 형태에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 고 밴드-갭 반도체에 결합된 베타 입자 방출 방사성 핵종에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 방사성 핵종으로부터의 베타 입자에 의해 활성화된 고 밴드-갭 반도체에 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 본원에 기재된 바와 같은 방법에 의해 제조된 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제공한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 시스템을 제공하고, 상기 시스템은
CO2 및/또는 이와 관련된 형태의 공급원;
상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태에 노출시키기 위해 베타 입자 방출 방사성 핵종과 밀접하게 결합된 고 밴드-갭 반도체를 포함하는 반응 용기; 및
상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 고 밴드-갭 반도체 및 상기 방사성 핵종에 노출시켜 제조된 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 추출하는 수단을 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 본 명세서에 기재된 바와 같은 시스템에 의해 제조된 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제공한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하기 위해 고 밴드-갭 반도체를 활성화하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 상기 고 밴드-갭 반도체를 베타 입자 방출 방사성 핵종에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 고 밴드-갭 반도체를 활성화하는 단계를 포함하되, 상기 반도체는 CO2 환원을 가능하게 하기에 충분한 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다.
본 개시내용의 소정 실시예는 본 명세서에 기재된 바와 같은 방법에 의해 활성화된 고 밴드-갭 반도체를 제공한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 베타 입자 방출 방사성 핵종과 결합된 고 밴드-갭 반도체를 포함하는 방사성 촉매 물질을 제공한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물을 생산하기 위해 본 명세서에 개시된 방사성 촉매 물질의 용도를 제공한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 반도체의 베타 입자 활성화에 의해 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하기 위한 고 밴드-갭 반도체를 식별하는 방법을 제공하며, 상기 방법은
고 밴드-갭 반도체 후보와 밀접하게 결합된 베타 입자 방출 방사성 핵종에 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 노출시키는 단계; 및
상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 상기 고 밴드-갭 반도체 후보의 능력을 결정하는 단계, 이에 의해 상기 고 밴드-갭 반도체의 베타 입자 활성화에 의해 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하기 위한 고 밴드-갭 반도체로서의 상기 고 밴드-갭 반도체 후보를 식별하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 본 명세서에 기재된 바와 같은 방법에 의해 식별된 고 밴드-갭 반도체를 제공한다.
기타 실시예가 본 명세서에 개시된다.
소정 실시예는 하기 도면에 의해 예시된다. 하기 설명은 단지 소정 실시예를 설명하기 위한 것이며, 설명과 관련하여 제한하려는 의도가 아님이 이해되어야 한다.
도 1은 β-방출기 및 고 밴드-갭 반도체의 존재 하에서의 반응에 대한 실험적 설정을 도시한다.
도 2는 비방사성 처리에 대한 실험적 설정을 도시한다.
도 3은 대안적인 89Sr 방법론을 사용하는 PTFE 용기 설정을 도시한다. PTFE 뚜껑은 압력 해제 밸브(우측) 및 수동 개폐 밸브(상단)를 포함한 스웨즈락 피팅(Swagelok fitting)을 구비한다. 가스 매니폴드(Gas manifold)는 압력 게이지(상단), 차단 밸브 및 CO2 및 진공 도입을 위한 양방향 밸브를 구비한다.
도 4는 대안적인 89Sr 방법론을 사용하여 CO2 로딩 동안 활성 실험의 설정을 도시한다.
도 5는 CO2 및 진공용 양방향 입구 밸브(좌측) 및 매니폴드(우측)에 부착된 (가스 샘플링용) 테드라백(Tedlar bag)을 보여주는 가스 샘플링을 위한 설정을 도시한다.
본 개시내용은 적어도 부분적으로, 이산화탄소를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법, 시스템 및 생성물에 관한 것이다.
본 개시내용은 적어도 부분적으로, 방사성 촉매 시스템이 폐(waste) 이산화탄소를 메탄올과 같은 가치 있는 유기 화합물로 전환시키기 위해 사용될 수 있다는 인식에 기초한다.
이론에 얽매이지 않고, 소정의 고 밴드-갭 반도체를 (예를 들어, 베타입자를 방출하는 방사성 핵종으로부터의) 고에너지 베타 입자의 플럭스(flux)에 노출시키는 것은 고 밴드-갭 반도체를 CO2 분자로의 전자 전달을 구동할 수 있는 활성화된 상태로 전자적으로 여기시키는 것으로 인식되어 왔다. 따라서, 전자 여기가 높은 환원 전위를 만드는 전자적으로 여기된 반도체 사이트(semiconductor sites)에서 이산화탄소를 전환시키는 것이 가능하다.
본 개시내용의 소정 실시예는 하나 이상의 이점의 조합을 갖는 방법 및 생성물에 관한 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 일부 실시예의 이점 중 일부는 다음 중 하나 이상을 포함한다: CO2를 상업적으로 유용한 화합물로 전환하는 새로운 및/또는 개선된 방법; CO2를 에너지 생성에 사용될 수 있는 화학적 화합물로 전환하기 위한 새로운 및/또는 개선된 방법; 폐 CO2를 상업적으로 유용한 화합물로 전환하기 위한 새로운 및/또는 개선된 방법; 소정의 방사성 폐기물을 활용하여 CO2를 소형 유기 화합물로 전환하는 능력; 이전에는 폐기물로 간주되었던 방사성 화합물에 대한 가치의 부가; "온실"화합물을 상업적으로 유용한 화합물의 공급원으로 전환; 대기로의 CO2 방출 감소 지원; 인위적인 기후 변화를 줄이는데 잠재적으로 기여할 수 있는 방법; 상업적으로 유용한 새로운 화합물을 생산하기 위해 중탄산염 및/또는 탄산염 공급원료를 사용하는 방법; 소정의 유기 화합물을 생산하기 위해 배출 집약적 H2의 사용을 방지하여 안정성을 향상시키고 경제적 이점을 제공하며 온실 인증에 대한 이점을 제공함; 하나 이상의 문제를 해결 및/또는 하나 이상의 이점을 제공하거나, 또는 상업적 대안을 제공하는 것. 본 개시내용의 소정 실시예의 다른 이점도 또한 본 명세서에 개시되어 있다.
본 개시내용의 소정 실시예는 CO2를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법을 제공한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "CO2"는 이산화탄소 또는 이와 관련된 형태 중 하나로, 예를 들어, HCO3 -, CO3 2- 또는 H2CO3와 같은 용매화 또는 고체상태로 존재하는 형태, 또는 다른 분자와 복합된 CO2 -형태를 지칭하고, 그 범위 내에서 전술한 화학물질의 라디칼 및 라디칼 이온, 또는 다른 분자와의 착물을 포함한다.
소정 실시예에서, CO2는 수용액에 용해되는데, CO2는, 예를 들어, 수증기와 혼합된 기체와 같은 기체 형태이거나, 다른 용매에 용해된 CO2가 사용되거나, 또는 액체 CO2 자체가 사용된다.
소정 실시예에서, 상기 방법은 용액 내에서 수행된다. 소정 실시예에서, 상기 방법은 수용액 또는 실질적으로 수용액 내에서 수행된다. 소정 실시예에서, 상기 방법은 비수성 용액 내에서 수행된다. 소정 실시예에서, 상기 방법은 디옥산과 같은 용매 또는 디옥산 및 물과 같은 혼합 용매에서 수행된다. 소정 실시예에서, 상기 방법은 기체 또는 증기 상태에서 수행된다. 전술한 상태에서 반응을 수행하기 위한 방법 및 장치는 당업계에서 공지되어 있다.
소정 실시예에서, 상기 방법은 CO2가 단독으로 또는 다른 물질과 혼합된 액체 상태인 조건 하에서 수행된다. 액체 CO2에서 반응을 수행하기 위한 방법 및 장치는 당업계에서 공지되어 있다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 베타 입자로 활성화된 고 밴드-갭 반도체에 노출시키는 단계 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 단계를 포함한다.
소정 실시예에서, CO2는 폐 CO2, 대기 CO2, 액체 CO2, 격리된 CO2, 다른 제(agent)와 복합된 CO2- 공급원, 중탄산염, 탄산염, 탄산염 광석, 또는 CO2의 관련 형태의 공급원 중 하나 이상을 포함한다. CO2의 기타 공급원이 고려된다.
본 명세서에 사용된 용어 “소형 유기 화합물”은 하나 이상의 탄소 원자를 가지며, 또 다른 탄소 원자 및/또는 수소, 산소 또는 질소와 같은 또 다른 원소에 결합된 임의의 화합물을 지칭한다. 상기 용어는 때때로 유기 화합물로 분류되지 않는 일산화탄소(CO)와 같은 화합물을 그 범위 내에 포함하고, 또한 그 범위 내에 탄소 함유 화합물의 이온, 착물, 및 라디칼을 포함한다는 것이 이해될 것이다.
소정 실시예에서, 하나 이상의 소형 유기 화합물은 일산화탄소(CO), 메탄, H2CO(포름알데히드), CH3OH(메탄올), HCO2H(포름산 또는 그 음이온), CH3CHO(아세트알데히드), CH3CH2OH(에탄올), CH3CH2COOH(아세트산 또는 그 음이온), CH3CH2CH2OH(프로판올) 또는 (CH3)2CHOH(이소프로판올) 중 하나 이상을 포함한다. 다른 유형의 소형 유기 화합물이 고려된다. 소형 유기 화합물을 식별하는 방법은 당업계에서 공지되어 있다.
소정 실시예에서, 상기 방법은 하나 이상의 소형 유기 화합물을 정제하거나 추출하는 것을 추가로 포함한다. 소형 유기 화합물을 정제하거나 추출하는 방법, 예를 들어, 증류 및 응축, 또는 차등 흡착(differential adsorption)이 당업계에서 공지되어 있다.
CO2의 감소를 가능하게 하기에 충분한 고 밴드-갭 및 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는 적절한 반도체가 선택될 수 있다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 적어도 2.0eV의 밴드-갭의 특성 및 -0.15V 또는 미만(-0.15V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지의 특성 양자를 갖는다. 반도체의 특성을 결정하는 방법은 당업계에서 공지되어 있다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 2.6eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 3.1eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 3.2eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 3.4eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 2.6 내지 5.4eV, 3.1 내지 5.4eV, 3.2 내지 5.4eV, 또는 3.4 내지 5.4eV 범위의 밴드-갭을 갖는다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만(-0.15V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.4V 미만(-0.4V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.8V 미만(-0.8V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -2.0V 미만(-2.0V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다.
고 밴드-갭 반도체의 예로는 티타네이트, 지르코네이트, 몰리브데이트, 바나데이트, 테크네테이트, 퍼테크네테이트, 텅스테이트, 나이오베이트, 탄탈레이트, 크로메이트, 도핑된 산화주석, 도핑된 산화아연, 하프네이트, 게르마늄 산화물, 단순 산화물, 망간, 코발트 및 철의 산화물(예를 들어, 페레이트, 망가네이트, 코발테이트), 황화물, 칼코겐화물 및 탄소 동소체를 포함한다. 다른 유형의 고-밴드 반도체가 고려된다. 고 밴드-갭 반도체는 상업적으로 입수 가능하거나 당업계에서 공지된 방법에 의해 제조될 수 있다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 티타네이트 및/또는 지르코네이트를 포함한다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 스트론튬 지르코네이트(SrZrO3), 스트론튬 티타네이트(SrTiO3) 및 티타늄 산화물 중 하나 이상을 포함한다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 하기의 바람직한 특성 중 하나 이상을 갖는다: 낮은 전자-정공 쌍 재결합 속도; 적어도 250℃의 융점; 산화 저항성; 경도; 강도(strength); 충격 파괴, 침식 및/또는 마모에 대한 내성. 전술한 특성들을 평가하는 방법은 당업계에서 공지되어 있다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 자가-응집되지 않는 자유-유동성 분말 형태로 제조될 수 있는 능력의 특성을 포함한다.
소정 실시예에서, 베타 입자로 활성화된 고 밴드-갭 반도체는 방사성 핵종으로부터의 방출을 통한 베타 입자 활성화를 포함한다. 이와 관련하여, 방사성 핵종은 또한 베타-방출 방사성 핵종으로 붕괴하는 방사성 핵종일 수 있음이 이해될 것이다.
소정 실시예에서, 방사성 핵종은 또한 감마(γ) 방사선을 방출하고/방출하거나 그 붕괴 생성물 중 하나로부터 γ 방사선을 방출한다.
소정 실시예에서, 방사성 핵종은 90Sr, 99Tc, 3H, 14C, 63Ni, 137Cs, 147Pm, 151Sm, 121mSn, 155Eu, 93Zr, 210Pb 및 126Sn 중 하나 이상을 포함한다. 방사성 핵종의 공급원은 상업적으로 입수되는 바와 같이 당업계에서 공지되어 있다. 방사성 핵종의 제조 방법도 또한 당업계에서 공지되어 있다. 기타 베타 입자 방출 방사성 핵종이 고려된다.
소정 실시예에서, 방사성 핵종은 하기의 바람직한 특성 중 하나 이상을 갖는다: (ⅰ) 방사성 핵종은 1-100킬로 전자 볼트(keV) 범위의 에너지를 가진 β-입자를 방출한다; (ⅱ) 방사성 핵종은 1-10년 범위, (대체 기간을 최소화하기 위해) 예를 들어, ~5년의 반감기에 의해 지배되는 속도로 β-입자를 방출한다; 및 (ⅲ) 방사성 핵종은 다루기 쉬운 화학적 특성을 가진 원소의 동위원소로, 방사성 핵종이 고 밴드-갭 반도체 내로 쉽게 로딩될 수 있다.
단일 방사성 베타 붕괴 발생은 원래 붕괴하는 원자로부터 수십 마이크로미터(μm) 길어지는 2차 전자의 캐스케이드(cascade)를 유발할 수 있으며, 및 이들 각각은 잠재적으로 고 밴드-갭 반도체 내에서 여기된 전자 상태를 유발할 수 있음이 이해될 것이다.
소정 실시예에서, 방사성 핵종은 90Sr 및 126Sn과 같은 안정한 동위원소/핵으로 궁극적으로 붕괴함에 따라 붕괴하는 딸 방사성 핵종(daughter radionuclides)의 사슬을 통해 다중 β-입자 방출을 생성하는 방사성 핵종이다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체의 활성화는 고 밴드-갭 반도체와 접촉하고, 고 밴드-갭 반도체와 소정 거리를 두고 위치해 있으며, 및/또는 고 밴드-갭 반도체와 결합된 방사성 핵종으로부터 방출된 β-입자에 대한 노출을 포함한다.
소정 실시예에서, 방사성 핵종은 고 밴드-갭 반도체 내로 물리적으로 혼입된다. 소정 실시예에서, 방사성 핵종은 고 밴드-갭 반도체 내로 화학적으로 혼입된다.
고 밴드-갭 반도체 내로의 방사성 핵종의 적절한 양의 로딩(loading)이 선택될 수 있다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 0.1-100 GBq/mm3, 1.0-100 GBq/mm3 , 또는 10-100 GBq/mm3 범위의 방사성 핵종으로 로딩된다. 다른 범위가 고려된다.
소정 실시예에서, 방사성 핵종은 고 밴드-갭 반도체에 근접하거나, 고 밴드-갭 반도체와 물리적으로 혼합되거나, 고 밴드-갭 반도체 내로 화학적으로 혼입되거나, 고 밴드-갭 반도체의 매트릭스 내에 존재하거나, 또는 고 밴드-갭 반도체 내부에 위치한다. 기타 배열이 고려된다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체 및 방사성 핵종은 결합되어 방사성 촉매를 형성한다. 이와 관련하여, 본 명세서에 사용되는 용어 “방사성 촉매”는 또한 “방사성 촉매 물질”로 지칭될 수 있다.
소정 실시예에서, 방사성 촉매는, 예를 들어, 과립, 비드, 분말과 같은 거시적 형태이거나, 또는 프릿과 같이 다공성 고체 형태로 통합된다.
소정 실시예에서, 방사성 핵종은 고 밴드-갭 반도체에서 실질적으로 균질하게 분포된다.
소정 실시예에서, 방사성 핵종은 고 밴드-갭 반도체에서 실질적으로 불균일하게 분포된다. 예를 들어, 외부 테두리가 방사성 동위원소 함량을 가지지 않는, 고 밴드-갭 반도체 입자의 중심에 방사성 도핑 영역이 존재할 수 있다.
소정 실시예에서, 방사성 촉매는 고 밴드-갭 반도체의 전부 또는 일부를 코팅하는 방사성 핵종을 포함한다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매는 고 밴드-갭 반도체에 의해 캡슐화된 방사성 핵종을 포함한다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매는 고 밴드-갭 반도체와 물리적으로 혼합된 방사성 핵종을 포함한다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매는 고 밴드-갭 반도체 내에서 방사성 핵종의 차등 분포를 갖는다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매는 고 밴드-갭 반도체 내로 로딩된 방사성 핵종을 포함한다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매는 고 밴드-갭 반도체 내로 화학적으로 혼입된 방사성 핵종을 포함한다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매는 방사성 핵종 및 고 밴드-갭 반도체를 포함하는 매트릭스를 포함한다. 기타 배열이 고려된다.
소정 실시예에서, 방사성 촉매는 0.1GBq/mm3 이상의 방사성 함량을 포함한다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매는 1GBq/mm3 이상의 방사성 함량을 포함한다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매는 10GBq/mm3 이상의 방사성 함량을 포함한다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매는 100GBq/mm3 이상의 방사성 함량을 포함한다.
소정 실시예에서, 방사성 촉매는 0.1-100GBq/mm3, 1-100GBq/mm3 , 또는 10-100GBq/mm3 범위의 방사성 함량을 포함한다. 기타 범위가 고려된다.
소정 실시예에서, 방사성 촉매는 큰 표면적을 갖는다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매는 1m2g-1 이상, 10m2g-1 이상, 또는 100m2g-1 이상의 표면적을 갖는다. 표면적을 평가하는 방법은 당업계에서 공지되어 있다.
소정 실시예에서, 방사성 촉매는 거시적 형태이다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매는 다공성을 갖는 거시적 형태이다.
소정 실시예에서, 방사성 촉매는 다공성이고, 반응 유체(액체 또는 기체)가 기공(pores)에 들어가고/들어가거나 높은 인가 압력 없이 벌크 촉매를 통해 유동하도록 하기에 충분한 개방 다공성(open porosity)을 갖는다.
소정 실시예에서, 방사성 촉매는 복합물질이다. 예를 들어, 반도체 매트릭스 내에서 14C(예를 들어, 그래핀, 비정질 탄소, 또는 다이아몬드)의 분산.
소정 실시예에서, 방사성 촉매는 세라믹 물질이다. 세라믹을 제조하는 방법은 당업계에서 공지되어 있다.
소정 실시예에서, 방사성 촉매는 서메트 물질(cermet material)(“세라믹 금속 복합물질”)이다. 이러한 물질을 제조하는 방법은 당업계에서 공지되어 있다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 고에너지 베타-입자에 의해 전자 여기되는 고 밴드-갭 반도체를 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 단계를 포함한다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 방사성 핵종으로부터 방출된 고에너지 β-입자에 의해 고 밴드-갭 반도체를 활성화하는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 단계를 포함한다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 고 밴드-갭 반도체에 결합된 베타 입자 방출 방사성 핵종에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 단계를 포함한다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 고 밴드-갭 반도체의 존재 내의 베타 입자 방출 방사성 핵종에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 단계를 포함한다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 방사성 핵종으로부터의 베타 입자에 의해 활성화된 고 밴드-갭 반도체에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환시키기 위한 본 명세서에 기재된 바와 같은 방법을 사용하여 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 방법을 제공한다.
소형 유기 화합물은 본 명세서에 기재된 바와 같다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 베타 입자로 활성화된 고 밴드-갭 반도체에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 단계를 포함한다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 고에너지 베타 입자에 의해 전자 여기되는 고 밴드-갭 반도체를 CO2 및/또는 이와 관련된 형태에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 단계를 포함한다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 고 밴드-갭 반도체에 결합된 베타 입자 방출 방사성 핵종에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 단계를 포함한다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 하나 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 고 밴드-갭 반도체의 내의 베타 입자 방출 방사성 핵종에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 단계를 포함한다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 방사성 핵종으로부터의 베타 입자에 의해 활성화된 고 밴드-갭 반도체에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 단계를 포함한다.
소정 실시예에서, 상기 방법들은 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 정제하거나 추출하는 단계를 추가로 포함한다. 소형 유기 화합물의 정제 또는 추출하는 방법은 본 명세서에 기재된 바와 같다. 정제/추출 정도를 결정하는 방법은 당업계에서 공지되어 있다.
본 개시내용의 소정 실시예들은 본 명세서에 기재된 바와 같은 방법에 의해 제조된 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제공한다.
소형 유기 화합물의 예는 본 명세서에 기재된 바와 같다. 소정 실시예에서, 소형 유기 화합물은 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 아세트알데히드, 에탄올, 아세트산, 프로판올, 및 이소프로판올 중 하나 이상을 포함한다.
소형 유기 화합물을 정제하거나 추출하는 방법은 당업계에서 공지되어 있다. 예를 들어, 소형 유기 화합물은 증류 또는 차등 흡착과 같은 공정을 사용하여 분리 및 정제될 수 있다. 다른 방법이 고려된다.
본 개시내용의 소정 실시예는 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 시스템을 제공한다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 시스템을 제공하며, 상기 시스템은
CO2 및/또는 이와 관련된 형태의 공급원; 및
상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태에 노출시키기 위해 베타 입자 방출 방사성 핵종과 밀접하게 결합된 고 밴드-갭 반도체을 포함하는 반응 용기를 포함한다.
소정 실시예에서, 상기 시스템은 하나 이상의 소형 유기 화합물을 추출하기 위한 수단을 추가로 포함한다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 시스템을 제공하며, 상기 시스템은
CO2 및/또는 이와 관련된 형태의 공급원;
상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태에 노출시키기 위해 베타 입자 방출 방사성 핵종과 밀접하게 결합된 고 밴드-갭 반도체를 포함하는 반응 용기; 및
상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 고 밴드-갭 반도체 및 방사성 핵종에 노출시켜 제조된 하나 이상의 소형 유기 화합물을 추출하는 수단을 포함한다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 시스템을 제공하며, 상기 시스템은
CO2 및/또는 이와 관련된 형태의 공급원;
상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태에 노출시키기 위해 고 밴드-갭 반도체 및 베타 입자 방출 방사성 핵종을 포함하는 반응 용기; 및
상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 고 밴드-갭 반도체 및 상기 방사성 핵종에 노출시켜 제조된 하나 이상의 소형 유기 화합물을 추출하는 수단을 포함한다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 시스템을 제공하며, 상기 시스템은
CO2 및/또는 이와 관련된 형태의 공급원;
상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태에 노출시키기 위해 고 밴드-갭 반도체 및 베타 입자 방출 방사성 핵종을 포함하는 방사성 촉매를 포함하는 반응 용기; 및
상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 방사성 촉매에 노출시켜 제조된 하나 이상의 소형 유기 화합물을 추출하는 수단을 포함한다.
소정 실시예에서, CO2의 공급원은 폐 CO2, 대기 CO2, 액체 CO2, 격리된 CO2, 다른 제와 복합된 CO2 -공급원, 중탄산염, 탄산염, 또는 탄산염 광석, 또는 CO2를 제공하는 화합물 중 하나 이상을 포함한다. CO2의 기타 공급원이 고려된다.
소정 실시예에서, 방사성 촉매는 반응 유체가 통과할 수 있는 다공성 고체 형태를 포함한다.
소정 실시예에서, 반응 용기는 원하는 화학 반응이 일어나는 유동층(fluidised bed) 내에서 과립 형태(granular form)의 방사성 핵종 및 고 밴드-갭 반도체를 포함한다. 소정 실시예에서, 반응 용기는 원하는 화학 반응이 일어나는 유동층 내에서 과립 형태의 방사성 촉매를 포함한다.
소정 실시예에서, 소형 유기 분자를 추출하기 위한 수단은 증류 수단 및/또는 응축 수단, 또는 차등 흡착 수단을 포함한다. 소형 유기 화합물을 추출하기 위한 다른 수단이 고려된다.
소정 실시예에서, 시스템은 하나 이상의 소형 유기 화합물, 예를 들어, 메탄올의 제조를 위한 제조 플랜트를 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 본 명세서에 기재된 바와 같이 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하기 위한 시스템을 제공한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 본 명세서에 기재된 바와 같은 시스템을 사용하여 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 방법을 제공한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 본 명세서에 기재된 바와 같은 시스템에 의해 제조된 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제공한다.
소형 유기 화합물의 예시는 본 명세서에 기재된 바와 같다. 소정 실시예에서, 소형 유기 화합물은 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 아세트알데히드, 에탄올, 아세트산, 프로판올, 및 이소프로판올 중 하나 이상을 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 고 밴드-갭 반도체를 활성화하는 방법을 제공한다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 CO2(및/또는 이와 관련된 형태)를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 데 적합하다. 기타 용도가 고려된다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하기 위해 고 밴드-갭 반도체를 활성화는 방법을 제공하고, 상기 방법은 상기 고 밴드-갭 반도체를 베타 입자 방출 방사성 핵종에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 고 밴드-갭 반도체를 활성화하는 단계를 포함하되, 상기 반도체는 CO2 환원을 가능하게 하기에 충분한 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하기 위해 고 밴드-갭 반도체를 활성화는 방법을 제공하고, 상기 방법은 상기 고 밴드-갭 반도체를 베타 입자 방출 방사성 핵종에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 고 밴드-갭 반도체를 CO2 분자, 또는 이와 관련된 형태의 화학적 환원을 구동할 수 있는 활성화된 상태로 전자적으로 여기시키는 단계를 포함하되, 상기 반도체는 CO2 환원을 가능하게 하기에 충분한 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다.
본 개시내용의 소정 실시예는 본 명세서에 기재된 바와 같은 방법에 의해 활성화된 고 밴드-갭 반도체를 제공한다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 적어도 2.0eV의 밴드-갭의 특성 및 -0.15V 또는 미만(-0.15V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지의 특성 양자를 갖는다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 2.6eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 3.1eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 3.2eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 3.4eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 2.6 내지 5.4eV, 3.1 내지 5.4eV, 3.2 내지 5.4eV, 또는 3.4 내지 5.4eV 범위의 밴드-갭을 갖는다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만(-0.15V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.4V 미만(-0.4V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.8V 미만(-0.8V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -2.0V 미만(-2.0V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다.
본 개시내용의 소정 실시예는 활성화된 고 밴드-갭 반도체를 제조하는 방법을 제공한다.
소정 실시예에서, 활성화된 고 밴드-갭 반도체는 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는데 적합하다. 기타 용도가 고려된다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 활성화된 고 밴드-갭 반도체를 제조하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 상기 반도체를 베타 입자 방출 방사성 핵종에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 활성화된 고 밴드-갭 반도체를 제조하는 단계를 포함하되, 상기 반도체는 CO2 환원을 가능하게 하기에 충분한 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다.
본 개시내용의 소정 실시예는 본 명세서에 기재된 바와 같은 방법에 의해 제조된 활성화된 고 밴드-갭 반도체를 제공한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 베타 입자 방출 방사성 핵종과 결합된 고 밴드-갭 반도체를 포함하는 방사성 촉매 물질을 제공한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 베타 입자 방출 방사성 핵종으로 로딩된 고 밴드-갭 반도체를 포함하는 방사성 촉매 물질을 제공한다.
베타 입자 방출 방사성 핵종과 결합된 고 밴드-갭 반도체를 포함하는 방사성 촉매 물질은 본 명세서에 기재된 바와 같다.
소정 실시예에서, 방사성 촉매는 0.1GBq/mm3 이상의 방사성 함량을 포함한다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매는 1.0GBq/mm3 이상의 방사성 함량을 포함한다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매는 10GBq/mm3 이상의 방사성 함량을 포함한다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매는 100GBq/mm3 이상의 방사성 함량을 포함한다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매 물질은 0.1-100GBq/mm3, 1-100GBq/mm3 , 또는 10-100GBq/mm3 범위의 방사성 함량을 포함한다. 기타 범위가 고려된다.
본 개시내용의 소정 실시예는 고 밴드-갭 반도체에 의해 캡슐화된 베타 입자 방출 방사성 핵종을 포함하는 방사성 촉매 물질을 제공한다.
고 밴드-갭 반도체에 의해 캡슐화된 베타 입자 방출 방사성 핵종을 포함하는 방사성 촉매 물질은 본 명세서에 기재된 바와 같다.
고 밴드-갭 반도체 및 베타 입자 방출 방사성 핵종은 본 명세서에 기재된 바와 같다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 적어도 2.0eV의 밴드-갭의 특성 및 -0.15V 또는 미만(-0.15V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지의 특성 양자를 갖는다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 2.6eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 3.1eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 3.2eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 3.4eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 2.6 내지 5.4eV, 3.1 내지 5.4eV, 또는 3.2 내지 5.4eV, 또는 3.4 내지 5.4eV 범위의 밴드-갭을 갖는다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 또는 미만(-0.15V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.4V 미만(-0.4V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.8V 미만(-0.8V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -2.0V 미만(-2.0V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다.
본 개시내용의 소정 실시예는 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하기 위한 본 명세서에 기재된 바와 같은 방사성 촉매 물질의 용도를 제공한다.
소정 실시예에서, 방사성 촉매 물질은 다공성 형태이다. 소정 실시예에서, 방사성 촉매 물질은 입자, 과립, 비드, 분말, 또는 펠릿을 포함하는 형태이다.
소정 실시예에서, 방사성 핵종은 고 밴드-갭 반도체 내에서 실질적으로 균질하게 분포된다.
소정 실시예에서, 방사성 핵종은 고 밴드-갭 반도체 내에서 실질적으로 불균일하게 분포된다. 예를 들어, 방사성 촉매 입자의 중심과 바깥쪽 테두리에 있는 방사성 도핑 영역에는 방사성 동위원소가 로딩되어 있지 않다.
본 개시내용의 소정 실시예는 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 하나 이상의 소형 유기 화합물의 제조를 활성화하기 위한 방사성 촉매 물질의 용도를 제공한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 용해된 CO2 및/또는 이와 관련된 형태의 용액, 베타 입자 방출 방사성 핵종 및 고 밴드-갭 반도체를 포함하는 조성물을 제공한다.
소정 실시예에서, 상기 조성물은 액체 용매 또는 액체 가스를 포함하는 수성 조성물, 기체 조성물 또는 액체 조성물이다.
본 개시내용의 소정 실시예는 용해된 CO2 및/또는 이와 관련된 형태의 용액을 포함하는 조성물, 및 베타 입자 방출 방사성 핵종 및 고 밴드-갭 반도체를 포함하는 방사성 촉매 물질을 제공한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 반도체의 베타 입자 활성화에 의해 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하기 위한 고 밴드-갭 반도체를 식별하는 방법을 제공한다.
소정 실시예에서, 본 개시내용은 반도체의 베타 입자 활성화에 의해 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하기 위한 고 밴드-갭 반도체를 식별하는 방법을 제공하고, 상기 방법은
고 밴드-갭 반도체 후보와 밀접하게 결합된 베타 입자 방출 방사성 핵종에 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 노출시키는 단계; 및
상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 상기 고 밴드-갭 반도체 후보의 능력을 결정하고, 이에 의해 상기 고 밴드-갭 반도체의 베타 입자 활성화에 의해 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하기 위한 상기 고 밴드-갭 반도체로서의 고 밴드-갭 반도체 후보를 식별하는 단계를 포함한다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 적어도 2.0eV의 밴드-갭의 특성 및 -0.15V 또는 미만(-0.15V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지의 특성 양자를 갖는다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 2.6eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 3.1eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 3.2eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 적어도 3.4eV의 밴드-갭을 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 2.6 내지 5.4eV, 3.1 내지 5.4eV, 3.2 내지 5.4eV, 또는 3.4 내지 5.4eV 범위의 밴드-갭을 갖는다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만(-0.15V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다.
소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.4V 미만(-0.4V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.8V 미만(-0.8V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -2.0V 미만(-2.0V 보다 더 음의 값)의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는다.
반도체 후보의 예로는 티타네이트, 지르코네이트, 몰리브데이트, 바나데이트, 테크네테이트, 퍼테크네테이트, 텅스테이트, 나이오베이트, 탄탈레이트, 크로메이트, 도핑된 산화주석, 도핑된 산화아연, 하프네이트, 게르마늄 산화물, 단순 산화물, 망간, 코발트 및 철의 산화물(예를 들어, 페레이트, 망가네이트, 코발테이트), 황화물, 칼코겐화물 및 탄소 동소체를 포함한다. 소정 실시예에서, 고 밴드-갭 반도체는 티타네이트 및/또는 지르코네이트를 포함한다.
본 개시내용의 소정 실시예는 본 명세서에 기재된 바와 같은 방법에 의해 식별된 베타 입자 활성화에 의해 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 소형 유기 화합물로 전환하기 위해 고 밴드-갭 반도체를 제공한다.
본 개시내용은 하기 실시예에 의해 추가로 설명된다. 하기 설명은 단지 소정 실시예를 설명하기 위한 것이며 상기 설명과 관련하여 제한하려는 의도가 아님이 이해되어야 한다.
실시예 1 - 방사성 이트륨-90(β-입자 방출기)을 사용하여 이산화탄소를 탄소 생성물로 변환
1. 소개
이산화탄소(CO2)를 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 포름산과 같은 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 것을 입증하기 위해 개념 증명 연구(proof-of-concept study)가 수행되었다.
광촉매는 CO2를 다른 화합물로 전환하는데 사용될 수 있다. 이러한 유형의 기법은 H2O 환경에서 CO2 내의 C=O 결합을 끊기 위해 광 에너지(일반적으로 UV광)와 촉매 물질을 짝을 지움으로써 CO2를 다른 화합물로 환원시키는 광 에너지원에 의존한다. 촉매 유형, 광원 및 pH를 포함하여, 형성된 생성물에 영향을 미칠 수 있는 여러 반응 조건이 있다. 그러나, 이러한 공정의 주요 한계 중 하나는 광촉매 반도체 밴드-갭보다 큰 에너지를 갖는 광자(photons)의 적당한 플럭스를 제공하는 광원을 사용해야 할 필요가 있다는 점이다.
촉매에 에너지를 공급하기 위해 방사성 붕괴 동안 방출된 입자의 에너지를 이용하는 것이 광원에 대한 대안이 될 수 있다는 점이 인식되었다. 개념 증명 연구에서, 이트륨-90(90Y)이, 6주 동안 CO2가 유기 화합물로 변환되는 것을 조사하기 위해, 스트론튬 티타네이트(SrTiO3) 촉매와 함께 베타 입자의 공급원으로 선택되었다. 연구 마지막에, 액체 샘플이 다양한 소형 유기 화합물의 존재에 대해 분석되었다.
2. 물질 및 방법
(ⅰ) β-방출기의 존재 하에서의 반응
"90Y-로딩된 폴리머 미소구체"로 지칭되는 이트륨-90(90Y) 동위원소가 로딩된, 다수의 기능화된 폴리스티렌 수지 마이크로비드(직경 18~30μm)인 특수 베타 방사선원의 이용 가능성 및 형태를 둘러싼 개념 증명 연구가 설계되었다. 이러한 비드는 전이성 간 종양을 조절하기 위한 방사선 색전술 요법(radio-embolization therapy)으로 이용가능하고 사용된다.
실험 장치는 가용성 이산화탄소의 공급원으로서 관련된 HCO3 -(중탄산염) 용액 내에서 SrTiO3 반도체 입자와 함께 베타-방출 수지 비드를 교반하는 것을 포함한다. 이러한 용액은 약 8.15의 pH로 '자가 완충(self buffer)'된다.
사용된 90Y의 활성은 1.1 및 2.2GBq 사이였다. 물질을 수용하면, 90Y-로딩된 폴리머 미소구체가 용기에서 제거되고 NaHCO3(40gL-1) 및 SrTiO3 부유분말(5gL-1)의 100mL 용액을 함유하는 삼각 플라스크에 첨가되었다. 용액 표면에 작은 소용돌이를 유지하기 위해 용액이 일정한 속도로 교반되었다. 실험 설정은 도 1에 도시되어 있다. 실험은 10mm 방풍 차폐물(perspex shield) 뒤에서 수행되었으며 노출량은 실험 기간 동안 모니터링 및 기록되었다. 실험은 방사선 승인 시설에서 6주 동안 수행되었으며 이 기간의 끝에, 샘플이 수집되고 부유물질을 제거하기 위해 0.22μm 셀룰로오스 필터를 통해 여과되었다. 감마선량률이 실험 전반에 걸쳐 주기적으로 모니터링되고 기록되었다. 수성 샘플은 공인된 외부 실험실에 의해 분석되었다.
(ⅱ) β-방출기의 부재 하에서의 반응
비-방사성 "블랭크"반응 용기들(NaHCO3만 그리고 NaHCO3 + SrTiO3)이 대조군으로 설정되었고, 90Y 연구에 대해 요약 설명된 것과 동일한 조건이 사용되었다(도 2). 실험은 90Y 실험과 병행하여 수행되었으며 샘플은 동시에 수집되었고 부유물질을 제거하기 위해 0.22μm 셀룰로오스 필터를 통해 여과되었다. 샘플은 공인된 외부 실험실에 의해 분석되었다.
3. 결과
분석은 3가지 반응 환경 각각, 즉, 베타-방출기가 존재하고 블랭크를 구비한 용기들에서 메탄올(CH3OH), 에탄올(CH3CH2OH), 프로판올(CH3CH2CH2OH), 및 포름산(HCOOH)의 존재에 대해 이루어졌다. 기타 유기 화합물의 수준 - 특히, 메탄(CH4), 일산화탄소(CO) 및 포름알데히드(HCHO)는 실험장치에서 포착되기 어렵기 때문에 이 실험에서 측정되지 않았다.
식별된 유기농 생성물

처리 		식별된 생성물
메탄올
(mg L-1)		 에탄올
(μg L-1)		 프로판올
(μg L-1)		 포름산
(μg L-1)
0.5 M NaHCO3 <LOR <LOR <LOR 487
0.5 M NaHCO3 + SrTiO3 <LOR <LOR <LOR 418
0.5 M NaHCO3 + SrTiO3 + 90Y 2.4 <LOR <LOR 785
메탄올의 LOR은 1mgl-1이고, 에탄올, 프로판올 및 포름산의 경우 50μg L-1임.
분석은 포름산이 상기 처리와 상관없이 모든 샘플 내에 존재함을 보여주었다(표 1). 그러나, 90Y를 첨가하지 않은 처리는 90Y를 첨가한 처리에 비해 포름산 농도의 약 절반을 함유하였다(표 1). 90Y를 포함하지 않은 두 가지 처리에서의 포름산 농도는 418 및 487mgL-1인 반면, 90Y 처리에서의 포름산 농도는 785mgL-1이었다.
에탄올 및 프로판올의 존재는 어떠한 처리에서도 식별되지 않았지만(표 1), 메탄올은 90Y를 포함하는 처리에서 식별되었다. 메탄올은 다른 2개의 비-방사선 유도 처리에서는 식별되지 않았다(표 1).
이러한 연구는 CO2의 관련 형태를 14C, 90Sr, 99Tc, 3H, 63Ni, 137Cs, 147Pm, 151Sm, 121mSn, 155Eu, 93Zr, 210Pb 및 126Sn과 같은 베타 입자 방출 방사성 핵종에 의해 활성화된 고 밴드-갭 반도체에 노출시켜 CO2의 메탄올 및 포름산염과 같은 소형 유기 화합물로의 전환을 입증한다.
실시예 2 - CO 2- 를 소형 유기 화합물로 촉매 전환하기 위한 조성물
베타 입자 방출 방사성 핵종은 방사성 핵종이 폐기물 또는, 예를 들어, 원자력 산업 처리 시설과 같은 책임을 지는 공급원에서 얻을 수 있으며, 여기서 주목할만한 방사성 핵종은 14C, 90Sr, 99Tc, 3H, 및 137 Cs이다. 이러한 핵종은 일반적으로 흡착된 염 종(adsorbed salt species)과 같은 수성 공정 스트림에서 분리된다.
일 실시예에서, 베타 방출 방사성 핵종은, 예를 들어, 당업계에서 공지된 적합한 오토클레이브에서 확고하게 자리잡은 열수 공정을 사용하여 스트론튬 티타네이트(화학물질 공급업자로부터 상업적으로 입수 가능)와 같은 고 밴드-갭 반도체에서 유사한 양이온과 교환될 수 있다. 최종 생성된 방사성 고체는 용해된 CO2를 함유하는 용액과 쉽게 접촉하여 일산화탄소, 메탄 또는 메탄올과 같은 소형 유기 화합물을 생성할 수 있도록 큰 표면적 형태(예를 들어, 분말, 과립, 프릿)로 처리될 것이다.
다른 실시예에서, 고체 티타네이트/지르코네이트 반도체는 (ⅰ) 예를 들어, Modeshia and Walton(2010) 화학 학회 리뷰 39:4303-4325에 기재된 방법의 변경을 사용하여, 일반적으로 높은 pH를 갖는 (~240℃까지의) 고온 수성 유체에서 전구체 산화물이 함께 반응하는'용매열(solvothermal)'접근법; (ⅱ) 예를 들어, Fu et al.(2010) Physica Scripta T139:1-4에 기재된 방법의 변경을 사용하여, 전구체상(precursor phases)의 분말이 함께 혼합되어 원하는 구조적 변형 및 강화가 발생하는 고온으로 상승되는 고체 상태 반응 접근법과 같은 방법을 사용하여 베타-방출 동위원소로 로딩될 수 있다.
추가 실시예에서, 고체 티타네이트/지르코네이트 반도체는 구성 산화물을 당업계에서 공지된 원하는 티타네이트 또는 지르코네이트로 변환하기 위해 고에너지 물리적 혼합 접근법을 사용하여 베타-방출 동위원소로 로딩될 수 있다.
다른 실시예에서, 베타 입자 방출 방사성 핵종을 함유하는 중공의 다공성 스트론튬 티타네이트 입자는 Tzeng and Shih (2015) Journal of the American Ceramic Society 98(2): 386-391에 기재된 바와 같은 방법을 개변함으로써 생성될 수 있다. 이러한 방법은 메탄올과 같은 소형 유기 화합물의 방사성 촉매 제조를 위한 모 유체(parent fluid) 역할을 하는 용해된 CO2를 함유하는 용액과 같은 용액과 접촉될 수 있는 큰 표면적을 갖는 다공성 분말의 제조를 허용한다.
실시예 3 - 메탄올과 같은 소형 유기 화합물의 제조
본 개시내용은 다수의 유용한 산업적 종점(endpoint)을 달성하기 위해 소정 방사성 입자의 에너지가 활용되는 기술에 관한 것이다. 실시예 1의 연구는 폐 이산화탄소를 가치가 큰 유기 화합물로 전환하기 위한 방사성 촉매 시스템의 실현가능성을 입증했다. 이산화탄소는, 예를 들어, 폐 이산화탄소 및/또는 중탄산염 공급원료일 수 있다.
일부 실시예에서, 본 개시내용은 적합한 입자-방출 특성을 갖는 적합한 방사성 동위원소가, 반도체의 방사성 함량이, 예를 들어, 1.0-100GBq/mm3 범위와 같은 범위에 있도록, 본질적으로 혼입될 수 있는 (예를 들어, 도핑된) 고 밴드-갭 반도체를 사용한다.
일부 실시예에서, 방사성 동위원소는, 예를 들어, 방사성 도핑 영역이 입자의 중심에 있고 외부 테두리에 방사성 동위원소의 로딩이 없는 경우, 고체 반도체 입자 내에 불균일하게 분포될 수 있다.
물질은 분말, 과립 또는 다공성'프릿'을 포함하는 다양한 물리적 형태로 사용될 수 있는 것으로 예상된다.
시스템은 (ⅰ) 촉매 표면 및 용해된 이산화탄소를 함유하는 관련 용액 간의 고도의 접촉을 유도하는 방식으로 배열된 물리적 방사성 촉매를 함유하고, (ⅱ) 용기 내부에 잔류하는 정적인 물리적 촉매로부터 직업적인 방사선량을 방지하기 위한 방사성 차폐 조치를 보유하며, (ⅲ) 유출 유체를 보충 유기 화합물 분리 시스템으로 전달하는 화학 반응 용기를 사용할 수 있다.
물리적 촉매는 반응 유체가 통과할 수 있는 다공성 고체 형태, 또는 원하는 화학 반응이 일어날 수 있는 유동층을 만드는 데 사용될 수 있는 과립 형태일 수 있다.
일부 실시예에서, 촉매는 스트론튬 지르코네이트(SrZrO3) 및 스트론튬 티타네이트(SrTiO3) 중 어느 하나 또는 양자로부터 선택된다. 이들 화합물은 고 밴드-갭(>2.0eV), 여기된 전자 정공 쌍에 대한 강한 전기화학적 환원 전위를 유도하는 전도 밴드 엣지 에너지를 가지며, 또한 반감기 및 에너지 측면에서 우수한 베타 입자 방출 특성을 갖는 스트론튬 동위원소(90Sr)가 존재하기 때문에 중요하다.
베타 입자로 활성화된 반도체의 촉매 활성을 사용하여 CO2의 대규모 전환을 위한 제안된 시스템이 이하에서 설명된다.
농축된 CO2, CO3 2- 또는 HCO3 -의 용액은 실시예 2에 기술된 바와 같은 조성을 갖는 슬러리를 포함하는 반응 챔버 내로 연속적으로 공급될 수 있으며, 이는 몇 시간 정도의 체류 시간과 함께 일정한 교반에 의해 혼합되고, 이는 촉매적으로 CO2를 메탄올을 포함하는 다수의 소형 유기 화합물로 전환한다.
수용액의 일부를 주기적으로 빼내고 용액으로부터 부유 고형물질 분리하기 위해 마일드한 원심분리 및/또는 여과를 거치며, 나머지 수용액은 일련의 증류 챔버 및 응축 챔버 내로 공급되게 하여 고급 메탄올의 제조를 허용한다. 증류에 의한 메탄올의 제조 방법은, 예를 들어, WO 2013/110368에 기재된 바와 같이 당업계에서 공지되어 있다.
실시예 4 - 스트론튬 티타네이트와 함께 89 Sr의 사용
1. 방법론
비방사성 "블랭크"반응을 위해, 스트론튬 티타네이트(SrTiO3, 1.99g)가 250mL PTFE 용기에 첨가된 다음 1,4-디옥산(97mL), MilliQ 물(3mL) 및 교반기 막대가 첨가되었다. 압력 해제 밸브 및 수동 개폐 밸브를 포함하는 스웨즈락 피팅으로 개변된 PTFE 용기 뚜껑이 압력 게이지를 구비한 가스 매니폴드에 부착되었으며, 도 3에 도시된 바와 같이, 양방향 밸브를 통해 CO2 가스병(gas bottle)에 연결되었다. CO2 가스의 흐름은 매니폴드가 뚜껑에 나사 고정됨에 따라 PTFE 용기로부터 공기를 퍼지(purge)하기 위해 매니폴드와 PTFE 뚜껑을 통해 통과된다.
PTFE 용기는, 가스 매니폴드에 일단 부착되면, 하기 방법을 통해 CO2로 로딩되었다.
Figure 112021094974932-pct00001
CO2-는 압력 게이지가 3atm을 표시할 때까지 반응 용기에 첨가됨.
Figure 112021094974932-pct00002
그 후 CO2- 유입 밸브가 닫힘.
Figure 112021094974932-pct00003
교반하면서 용매에 용해된 CO2 및 압력 게이지로 모니터링한 압력이 감소함.
Figure 112021094974932-pct00004
압력 감소 속도가 느려지면, 상기 공정을 반복하기 위해 압력 값이 기록되고 CO2 밸브가 개방됨.
이러한 방식으로 약 11atm CO2는 10분에 걸쳐 반응 용기에 첨가되었고, 이 시점에서 압력 감소 속도는 매우 느리며 시스템은 평형에 가까운 것으로 추정되었다. 그 후, 용기의 밸브가 폐쇄되었고, 매니폴드 내의 CO2가 배출된 후 용기가 매니폴드에서 분리되었다.
반응 용기는, 일단 CO2로 로딩되면, 교반기 플레이트 상에 위치된 후 17일 동안 (약 600rpm에서) 계속 교반되었다.
활성 반응을 위해, 동일한 반응 조건이 사용되었지만, SrTiO3(2.1g)는 9일 동안 OPAL 반응기 내에서 조사된 후 16일 동안 붕괴되었다. 조사된 SrTiO3 감마선 분광법은 48.8±4.4MBq의 Sr-85 활성을 나타내었으며 88±21MBq의 Sr-89 활성을 나타내었다. 이러한 반응 용기 내에 로딩된 CO2 가스의 양은 명시적으로 측정되지 않았지만, 반응 용기가 3atm에서 15분 동안 CO2하에서 교반을 통해 평형화되었기 때문에, 비활성 실험(11atm)과 유사하다고 추정되었다. CO2 로딩은 도 4에 도시된 바와 같이 납 차폐물 뒤에서 수행되었으며, 노출량은 실험 기간 내내 모니터링 및 기록되었다.
압력이 시간이 지남에 따라 떨어지는 것으로 관찰됨에 따라, 매 3-4일마다 반응 용기는 가스 매니폴드에 재부착되었고 CO2로 재로딩되었다. 매니폴드는 헤드스페이스 가스(headspace gas)가 공기로 오염되는 것을 방지하기 위해 반응 용기에 개방되기 전에 CO2로 퍼지되었다. 각각의 시간 간격에서 첨가된 CO2의 측정된 압력 및 부피가 표 2에 나와있다.
활성 및 비활성 실험에 대해 시간 경과에 따른 측정된 압력(P, atm) 및 첨가된 CO2의 양(atm).
　 4일차 7일차 8일차 11일차 14일차 17일차
　 P CO2 P CO2 P CO2 P CO2 P CO2 P CO2
활성 1.0 1.5 　 　 0.6 4.6 0.1 5.4 0.1 5.2 0.4 　
비활성 0 7.2 2.0 2.6 　 　 1.8 3.2 1.2 5.0 1.5 　
17일 실험 기간의 끝에서, 각각의 실험(활성 및 비활성)의 헤드스페이스 가스는 하기 방법을 통해 샘플링되었다.
Figure 112021094974932-pct00005
가스 매니폴드에 부착된 반응 용기.
Figure 112021094974932-pct00006
매니폴드의 우측에 부착된 테드라백(가스 샘플링용)(도 3 참조).
Figure 112021094974932-pct00007
양방향 밸브에 부착된 진공 펌프를 통해 배기되는 매니폴드(도 5 참조).
Figure 112021094974932-pct00008
압력을 기록하기 위해 배기된 매니폴드로 개방되는 반응 용기.
Figure 112021094974932-pct00009
테드라백이 가득 찰 때까지 개방되는 테드라백에 대한 밸브.
Figure 112021094974932-pct00010
매니폴드에서 제거되는 밀봉된 테블라백 및 흄후드(fumehood)로 배출되는 남아 있는 CO2 과압(overpressure).
그 후, 반응 용기 뚜껑이 개방되고 내부의 슬러리가 1.5시간 동안 침전되었다. 상층액(supernatant liquid)이 피펫(2mL)을 통해 샘플링되었고 미립자를 제거하기 위해 원심분리되었다(5000rpm, 5분).
2. 결과
인증된 외부 실험실에 의해 가스 샘플(활성 및 비활성)이 CO 및 CH4에 대해 분석되었다. 액체 샘플(활성 및 비활성)은 GC MS를 통해 메탄올, 에탄올, 포름알데히드 및 포름산에 대해 분석되었다. GC-MS는 분할 주입 모드(10:1), 길이 30m, 내경 0.32mm, df=0.5μm, 주입량 1μL의 AT-WAX 컬럼 및 이온화 전압 70V 및 방출 전류 150μA의 전자 이온화를 갖는 MS1200의 Agilent GC3800을 사용하여 수행되었다.
하기 분자들의 수준이 결정될 것이다: 일산화탄소, 메탄, 메탄올, 에탄올, 포름알데히드, 및 포름산.
상기 반응 방법론은 다양한 소형 유기 분자를 제조할 것으로 예상된다.
본 개시내용이 소정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 개시내용이 많은 다른 형태로 구현될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
본 개시내용의 범위를 벗어남이 없이 이전에 설명된 부분들에 대해 다양한 변경, 추가 및/또는 개변이 이루어질 수 있으며, 상기 교시에 비추어, 본 개시내용은 당업자에 의해 이해될 수 있는 다양한 방식으로 소프트웨어, 펌웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수 형태인 "a", "an" 및 "the"는 달리 구체적으로 언급되지 않는 한 복수의 관사를 지칭할 수 있다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 문맥이 달리 요구하지 않는 한, 단어 "포함하다(comprise)," 또는 "포함하다(comprises)"또는 "포함하는(comprising)"과 같은 변형은 언급된 요소 또는 정수 또는 요소들 또는 정수들의 그룹의 포함을 암시하지만 다른 요소 또는 정수 또는 요소들 또는 정수들의 그룹의 제외를 암시하는 것은 아니라는 것이 이해될 것이다.
본 명세서에 설명된 모든 방법은 본 명세서에 달리 표시되지 않거나 문맥에 의해 명확하게 모순되지 않는 한 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 본 명세서에서 제공된 임의의 모든 실시예, 또는 예시적인 언어(예를 들어, "~와 같은")의 사용은 단지 예시적인 실시예를 더 잘 설명하기 위한 것이며 달리 청구되지 않는 한 청구된 발명의 범위에 대한 제한을 부과하는 것이 아니다. 본 명세서의 어떠한 언어도 청구되지 않은 요소를 필수 요소로 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에 제공된 설명은 공통 특성 및 특징을 공유할 수 있는 몇 개의 실시예와 관련된다. 일 실시예의 하나 이상의 특징은 다른 실시예의 하나 이상의 특징과 결합될 수 있음이 이해되어야 한다. 또한, 실시예의 단일 특징 또는 특징들의 조합은 추가적인 실시예들을 구성할 수 있다.
본 명세서에 사용된 주제 목록은 독자의 참조 용이성을 위해서만 포함되며 본 개시내용 또는 청구항 전체에서 발견되는 발명 대상을 제한하는데 사용되어서는 안 된다. 주제 목록은 청구항의 범위 또는 청구항 한정사항을 해석하는데 사용되어서는 안 된다.
본 명세서에서 임의의 선행 기술에 대한 언급은 이러한 선행 기술이 어느 국가에서나 공통적인 일반 지식의 일부를 형성한다는 것을 인정하거나 또는 임의 형태의 암시를 뜻하는 것이 아니며, 그렇게 받아들여져서도 안 된다.
미래의 특허 출원들은, 예를 들어, 본 출원으로부터 우선권을 주장함으로써, 분할 상태를 주장함으로써 및/또는 계속 상태를 주장함으로써, 본 출원에 기초하여 출원될 수 있다. 하기 청구범위는 단지 예시로써만 제공되며, 임의의 이러한 미래 출원에서 청구될 수 있는 범위를 제한하려는 것이 아님이 이해되어야 한다. 또한 청구범위가 본 개시내용의 이해를 제한하거나 (또는 본 개시내용의 다른 이해를 배제하는) 것으로 간주되어서도 안 된다. 특징들은 나중에 예시적인 청구범위에 추가되거나 또는 예시적인 청구범위로부터 생략될 수 있다.

Claims (37)

  1. CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법에 있어서,
    상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 베타 입자로 활성화된 고 밴드-갭 반도체에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 단계를 포함하고;
    상기 하나 이상의 소형 유기 화합물은 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 에탄올, 아세트알데히드 및 아세트산 중 하나 이상을 포함하며;
    상기 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만의 전도 밴드 엣지 에너지(conduction band edge energy)를 갖는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체는 적어도 2.6eV의 밴드-갭을 갖는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.8V 미만의 전도 밴드 엣지 에너지를 갖는, 방법
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체는 티타네이트, 지르코네이트, 몰리브데이트, 바나데이트, 테크네테이트, 퍼테크네테이트, 텅스테이트, 나이오베이트, 탄탈레이트, 크로메이트, 도핑된 산화주석, 도핑된 산화아연, 하프네이트, 게르마늄 산화물, 단순 산화물(simple oxide), 망간, 코발트 및 철의 산화물, 황화물, 칼코겐화물 및 탄소 동소체 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 베타 입자로 활성화된 고 밴드-갭 반도체는 베타 입자에 의한 연속 여기(continuous excitation)를 통한 베타 입자 활성화를 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 베타 입자로 활성화된 반도체는 방사성 핵종으로부터의 방출을 통한 베타 입자 활성화를 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방사성 핵종은 14C, 90Sr, 99Tc, 3H, 63Ni, 137Cs, 147Pm, 151Sm, 121mSn, 155Eu, 93Zr, 210Pb 및 126Sn 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 베타 입자로 활성화된 반도체는 상기 반도체와 소정 거리에 위치한 방사성 핵종으로부터의 방출을 통한 베타 입자 활성화를 포함하는, 방법.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 베타 입자로 활성화된 반도체 및 상기 방사성 핵종은 방사성 촉매를 형성하기 위해 결합되는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 방사성 촉매는 상기 고 밴드-갭 반도체와 접촉하는 상기 방사성 핵종, 상기 고 밴드-갭 반도체에 인접한 상기 방사성 핵종, 상기 고 밴드-갭 반도체와 물리적으로 혼합된 상기 방사성 핵종, 상기 고 밴드-갭 반도체에 화학적으로 결합된 상기 방사성 핵종, 상기 고 밴드-갭 반도체에 탑재된 상기 방사성 핵종, 및/또는 상기 방사성 핵종의 외부에 위치한 상기 고 밴드-갭 반도체를 포함하는, 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 방사성 촉매는 다공성인, 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 방사성 촉매는 입자(particle), 과립(granule), 비드(bead), 분말(powder), 펠릿(pellet) 또는 프릿(frit)의 형태인, 방법.
  13. CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법에 있어서,
    베타 입자에 의해 전자적 여기가 발생하는 고 밴드-갭 반도체를 CO2 및/또는 이와 관련된 형태에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환시키는 단계를 포함하고;
    상기 하나 이상의 소형 유기 화합물은 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 에탄올, 아세트알데히드 및 아세트산 중 하나 이상을 포함하며;
    상기 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만의 전도 밴드 엣지 에너지(conduction band edge energy)를 갖는, 방법.
  14. CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법에 있어서,
    CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 고 밴드-갭 반도체와 결합된 베타 입자 방출 방사성 핵종에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환시키는 단계를 포함하고;
    상기 하나 이상의 소형 유기 화합물은 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 에탄올, 아세트알데히드 및 아세트산 중 하나 이상을 포함하며;
    상기 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만의 전도 밴드 엣지 에너지(conduction band edge energy)를 갖는, 방법.
  15. CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 방법에 있어서,
    CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 방사성 핵종으로부터의 베타 입자에 의해 활성화된 고 밴드-갭 반도체에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환시키는 단계를 포함하고;
    상기 하나 이상의 소형 유기 화합물은 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 에탄올, 아세트알데히드 및 아세트산 중 하나 이상을 포함하며;
    상기 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만의 전도 밴드 엣지 에너지(conduction band edge energy)를 갖는, 방법.
  16. 하나 이상의 소형 유기 화합물의 제조 방법에 있어서,
    제1항에 따른 방법을 사용하는 단계를 포함하여, CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환시키는, 방법.
  17. 하나 이상의 소형 유기 화합물의 제조 방법에 있어서,
    CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 베타 입자로 활성화된 고 밴드-갭 반도체에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 단계를 포함하고;
    상기 하나 이상의 소형 유기 화합물은 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 에탄올, 아세트알데히드 및 아세트산 중 하나 이상을 포함하며;
    상기 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만의 전도 밴드 엣지 에너지(conduction band edge energy)를 갖는, 방법.
  18. 하나 이상의 소형 유기 화합물의 제조 방법에 있어서,
    베타 입자에 의해 전자적 여기가 발생하는 고 밴드-갭 반도체를 CO2 및/또는 이와 관련된 형태에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 단계를 포함하고;
    상기 하나 이상의 소형 유기 화합물은 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 에탄올, 아세트알데히드 및 아세트산 중 하나 이상을 포함하며;
    상기 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만의 전도 밴드 엣지 에너지(conduction band edge energy)를 갖는, 방법.
  19. 하나 이상의 소형 유기 화합물의 제조 방법에 있어서,
    CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 고 밴드-갭 반도체와 결합된 베타 입자 방출 방사성 핵종에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 단계를 포함하고;
    상기 하나 이상의 소형 유기 화합물은 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 에탄올, 아세트알데히드 및 아세트산 중 하나 이상을 포함하며;
    상기 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만의 전도 밴드 엣지 에너지(conduction band edge energy)를 갖는, 방법.
  20. 하나 이상의 소형 유기 화합물의 제조 방법에 있어서,
    CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 방사성 핵종으로부터의 베타 입자에 의해 활성화된 고 밴드-갭 반도체에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하는 단계를 포함하고;
    상기 하나 이상의 소형 유기 화합물은 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 에탄올, 아세트알데히드 및 아세트산 중 하나 이상을 포함하며;
    상기 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만의 전도 밴드 엣지 에너지(conduction band edge energy)를 갖는, 방법.
  21. CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 시스템에 있어서,
    CO2 및/또는 이와 관련된 형태의 공급원;
    상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태에 노출시키기 위해 베타 입자 방출 방사성 핵종과 밀접하게 결합된 고 밴드-갭 반도체를 포함하는 반응 용기; 및
    상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 고 밴드-갭 반도체 및 상기 방사성 핵종에 노출시켜 제조된 상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 추출하는 수단
    을 포함하고;
    상기 하나 이상의 소형 유기 화합물은 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 에탄올, 아세트알데히드 및 아세트산 중 하나 이상을 포함하며;
    상기 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만의 전도 밴드 엣지 에너지(conduction band edge energy)를 갖는, 시스템.
  22. CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 시스템에 있어서,
    CO2 및/또는 이와 관련된 형태의 공급원;
    상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태에 노출시키기 위해 고 밴드-갭 반도체 및 베타 입자 방출 방사성 핵종을 포함하는 방사성 촉매를 포함하는 반응 용기; 및
    상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 상기 방사성 촉매에 노출시켜 제조된 하나 이상의 소형 유기 화합물을 추출하는 수단
    을 포함하고;
    상기 하나 이상의 소형 유기 화합물은 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 에탄올, 아세트알데히드 및 아세트산 중 하나 이상을 포함하며;
    상기 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만의 전도 밴드 엣지 에너지(conduction band edge energy)를 갖는, 시스템.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 CO2 공급원은 폐(waste) CO2, 대기 CO2, 액체 CO2, 격리된 CO2, 다른 제(agent)와 복합된 CO2, 중탄산염, 탄산염, 탄산염 광석, 또는 CO2를 제공하는 화합물 중 하나 이상을 포함하는, 시스템.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 하나 이상의 소형 유기 화합물을 추출하는 수단은 증류 수단 및/또는 응축 수단, 또는 차등 흡착 수단(differential adsorption means)을 포함하는, 시스템.
  25. CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하기 위한 고 밴드-갭 반도체를 활성화하는 방법에 있어서,
    상기 고 밴드-갭 반도체를 베타 입자 방출 방사성 핵종에 노출시키는 단계, 및 이에 의해 상기 반도체를 활성화하는 단계를 포함하되,
    상기 반도체는 CO2 환원을 가능하게 하기에 충분한 전도 밴드 엣지 에너지를 갖고;
    상기 하나 이상의 소형 유기 화합물은 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 에탄올, 아세트알데히드 및 아세트산 중 하나 이상을 포함하며;
    상기 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만의 전도 밴드 엣지 에너지(conduction band edge energy)를 갖는
    방법.
  26. 제25항에 따른 방법에 의해 활성화된 고 밴드-갭 반도체.
  27. 베타 입자 방출 방사성 핵종과 결합된 고 밴드-갭 반도체를 포함하되, 상기 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만의 전도 밴드 엣지 에너지(conduction band edge energy)를 갖는, 방사성 촉매 물질.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 방사성 촉매 물질은 다공성인, 방사성 촉매 물질.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 방사성 촉매 물질은 입자, 과립, 비드, 분말, 펠릿 또는 프릿을 포함하는 형태인, 방사성 촉매 물질.
  30. CO2 및/또는 이와 관련된 형태로부터, 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 에탄올, 아세트알데히드 및 아세트산 중 하나 이상을 포함하는 하나 이상의 소형 유기 화합물을 제조하기 위한, 제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 따른 방사성 촉매 물질을 사용하는 방법.
  31. 반도체의 베타 입자 활성화에 의해 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하기 위한 고 밴드-갭 반도체를 식별하는 방법에 있어서,
    고 밴드-갭 반도체 후보와 밀접하게 결합된 베타 입자 방출 방사성 핵종에 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 노출시키는 단계; 및
    상기 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하는 상기 고 밴드-갭 반도체 후보의 능력을 결정하는 단계, 및 이에 의해 상기 고 밴드-갭 반도체의 베타 입자 활성화에 의해 CO2 및/또는 이와 관련된 형태를 하나 이상의 소형 유기 화합물로 전환하기 위한 고 밴드-갭 반도체로서 상기 고 밴드-갭 반도체 후보를 식별하는 단계
    를 포함하고;
    상기 하나 이상의 소형 유기 화합물은 일산화탄소, 포름알데히드, 메탄, 메탄올, 포름산, 에탄올, 아세트알데히드 및 아세트산 중 하나 이상을 포함하며;
    상기 고 밴드-갭 반도체는 표준 수소 전극에 대해 -0.15V 미만의 전도 밴드 엣지 에너지(conduction band edge energy)를 갖는 방법.
  32. 제31항의 방법에 따라 식별된 반도체.
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