KR20220052984A - 저농도 스트림으로부터의 기체 포집을 포함한 전기화학적으로 매개된 기체 포집 - Google Patents

Abstract

기체 혼합물로부터의 표적 기체의 전기화학적 분리에 관한 방법, 장치, 및 시스템이 제공된다. 일부 경우에, 전기화학 전지를 사용하여 (예를 들어, 환원 상태의 전기활성 화학종에 대한 결합에 의해) 이산화탄소 등의 표적 기체가 포집되고 임의로 방출된다. 일부 실시양태는 기체 혼합물 중에 존재할 수 있는 산소 기체와는 적게 반응하거나 반응하지 않으면서 표적 기체를 선택적으로 포집하기 위해 특히 유용하다. 일부 이러한 실시양태는, 직접적 공기 포집 및 환기 공기 처리와 같은, 비교적 저농도의 표적 기체를 갖는 기체 혼합물로부터의 분리를 수반하는 응용에서 유용할 수 있다.

Description

저농도 스트림으로부터의 기체 포집을 포함한 전기화학적으로 매개된 기체 포집

관련 출원

본 출원은 2019년 10월 21일 출원되고 발명의 명칭이 "Electrochemically Mediated Gas Capture, Including from Low Concentration Streams"인 미국 특허 출원 번호 16/659,398의 부분 계속 출원이고, 이는 또한 2019년 10월 21일 출원되고 발명의 명칭이 "Electrochemically Mediated Gas Capture, Including from Low Concentration Streams"인 국제 특허 출원 번호 PCT/US2019/057224의 부분 계속 출원이며, 이들 출원 각각은 2019년 8월 28일 출원되고 발명의 명칭이 "Electrochemically Mediated Carbon Capture from Low Concentration Streams"인 미국 가출원 번호 62/892,962를 35 U.S.C. §119(e) 하에 우선권 주장하며, 이들 모두 모든 목적상 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.

기술 분야

기체 혼합물로부터의 표적 기체의 전기화학적 분리와 관련된 방법, 장치, 및 시스템이 일반적으로 기재된다.

기체 혼합물로부터 표적 화학종을 제거하기 위한 노력이 이루어졌다. 예를 들어, 지난 20년에 걸쳐 인위적인 이산화탄소 (CO₂) 배출을 억제함으로써 지구 온난화를 완화하려는 노력이 있었다. 종래의 열적 방법과 같은 많은 접근법은 이산화탄소를 그의 생성의 상이한 스테이지에서 그의 포집을 처리하도록 추구되었다: 연소 후 발전소에서 포집하거나, 대기로부터 그를 농축시킨 후, 그를 가압하고 지질학적 형태로 저장하거나, 또는 그를 상업적으로 유용한 화학 화합물로 전환시킨다. 표적 기체 제거의 다른 잠재적 응용은 직접적으로 공기로부터 또는 환기 공기로부터 표적 기체를 제거하는 것을 포함한다. 개선된 장치, 방법 및/또는 시스템이 바람직하다.

기체 혼합물로부터의 표적 기체의 전기화학적 분리와 관련된 방법, 장치, 및 시스템이 일반적으로 기재된다. 일부 경우에, 전기화학 전지를 사용하여 (예를 들어, 환원 상태의 전기활성 화학종에 대한 결합에 의해) 이산화탄소 등의 표적 기체가 포집되고 임의로 방출된다. 일부 실시양태는 기체 혼합물 중에 존재할 수 있는 산소 기체와는 적게 반응하거나 반응하지 않으면서 표적 기체를 선택적으로 포집하기 위해 특히 유용하다. 일부 이러한 실시양태는, 직접적 공기 포집 및 환기 공기 처리와 같은, 비교적 저농도의 표적 기체를 갖는 기체 혼합물로부터의 분리를 수반하는 응용에서 유용할 수 있다. 본 발명의 대상은, 일부 경우에, 상호관련된 생성물, 특정한 문제에 대한 대안적 해결책, 및/또는 하나 이상의 시스템 및/또는 물품의 복수의 상이한 용도를 수반한다.

하나의 측면에서는, 전기화학 전지가 기재된다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 제1 전기활성 화학종을 포함하는 음극; 양극; 및 음극과 양극 사이의 세퍼레이터로서, 전도성 액체를 함유할 수 있는 세퍼레이터를 포함하며, 여기서 제1 전기활성 화학종은, 산화 상태, 및 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는다. 일부 실시양태에서, 제1 전기활성 화학종은, 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 223 K 이상 및 573 K 이하의 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는다. 일부 실시양태에서, 제1 전기활성 화학종은, 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 223 K 이상 및 373 K 이하의 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는다.

일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 음극 상에 고정화된 제1 전기활성 화학종을 포함하는 음극; 및 양극을 포함하며; 여기서 제1 전기활성 화학종은, 산화 상태, 및 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는다. 일부 실시양태에서, 제1 전기활성 화학종은, 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 223 K 이상 및 573 K 이하의 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는다. 일부 실시양태에서, 제1 전기활성 화학종은, 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 223 K 이상 및 373 K 이하의 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는다.

또 다른 측면에서는, 기체 분리 시스템이 기재된다. 일부 실시양태에서, 기체 분리 시스템은 기체 유입구 및 기체 유출구와 유체 소통하는 복수의 전기화학 전지를 포함하며, 여기서 기체 분리 시스템은 0.001 L/s 이상 및 500 L/s 이하의 기체 스트림 유량에서 0.003 kg_{표적 기체}/(kg_베드 t _b) 이상의 표적 기체의 포집에 대한 생산성을 갖도록 구성되며, 여기서 kg_베드는 베드 중량이고 t _b 는 기체 분리 시스템에 대한 돌파 시간이다.

또 다른 측면에서는, 적어도 부분적 기체 분리 방법이 기재된다. 일부 실시양태에서, 방법은 전기화학 전지에 걸쳐 전위차를 적용하고; 표적 기체를 포함하는 기체 혼합물을 전기화학 전지에 노출시키고; 제1 전위차의 적용 동안 및/또는 후에 기체 혼합물로부터 소정량의 표적 기체를 제거하는 것을 포함하며, 여기서 부피 퍼센트 기준으로 기체 혼합물 중에 존재하는 임의의 산소 기체 (O₂)의 0.1% 이하가 기체 혼합물로부터 제거된다.

일부 실시양태에서, 방법은 전기화학 전지에 걸쳐 제1 전위차를 적용하고; 표적 기체를 포함하는 제1 양의 입력 기체 혼합물을 전기화학 전지에 노출시키고; 제1 전위차의 적용 동안 및/또는 후에 표적 기체의 적어도 일부를 전기화학 전지의 전기활성 화학종과 결합시켜 제1 기체 혼합물보다 더 적은 양의 표적 기체를 갖는 제1 처리된 기체 혼합물을 생성하고; 전기화학 전지에 걸쳐 제2 전위차를 적용하고; 전기활성 화학종과 결합된 표적 기체의 일부 또는 전부를 방출시켜 제2 처리된 기체 혼합물을 생성하는 것을 포함하며, 여기서, 방출 동안 및/또는 후에, 방법은 전기화학 전지를 통해 제2 기체를 유동시켜 전기화학 전지로부터 방출 표적 기체의 적어도 일부 또는 전부를 제거하고/거나, 전기화학 전지에 진공 조건을 적용하여 전기화학 전지로부터 방출 표적 기체의 적어도 일부 또는 전부를 제거하는 것을 추가로 포함한다.

본 발명의 다른 이점 및 신규한 특징은 첨부 도면과 함께 고려 시 본 발명의 다양한 비-제한적 실시양태의 하기 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 명세서 및 참조로 포함된 문헌이 상충 및/또는 불일치 개시내용을 포함하는 경우, 본 명세서가 우선한다.

본 발명의 비-제한적 실시양태를 첨부 도면을 참조로 하여 예시로서 기재할 것이며, 첨부 도면은 개략도이며 일정 비율로 도시된 것으로 의도되지 않는다. 도면에서, 예시된 각각의 동일한 또는 거의 동일한 구성요소는 전형적으로 단일 숫자로 표시된다. 명확성을 위해, 모든 구성요소가 모든 도면에서 라벨링되지는 않으며, 관련 기술분야의 통상의 기술자가 본 발명을 이해할 수 있게 하기 위해 예시가 필수적이지 않은 경우, 본 발명의 각각의 실시양태의 모든 구성요소를 나타내지는 않는다. 도면에서:
도 1a는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 음극 및 양극을 포함하는 예시적 전기화학 전지의 측면 개략도를 나타내고;
도 1b는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 음극, 양극, 및 세퍼레이터를 포함하는 예시적 전기화학 전지의 측면 개략도를 나타내고;
도 2는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 예시적 전기화학 전지의 분해 개략도를 나타내고;
도 3a는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 충전 모드로 작업되는, 전기화학 전지의 분해 개략도를 나타내고;
도 3b는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 방전 모드로 작업되는, 예시적 전기화학 전지의 분해 개략도를 나타내고;
도 4는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 예시적 기체 분리 시스템의 개략도를 나타내고;
도 5a는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 기체 분리 공정을 수행하는 예시적 시스템의 개략도를 나타내고;
도 5b는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 기체 분리 공정을 수행하는, 유동장을 포함하는 예시적 시스템의 개략도를 나타내고;
도 5c-5e는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 예시적 유동장 채널 패턴의 측면 개략도를 나타내고;
도 6은, 하나 이상의 실시양태에 따른, 예시적 기체 분리 시스템의 개략도를 나타내고;
도 7a는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 기체 분리 공정을 수행하는 예시적 시스템의 개략도를 나타내고;
도 7b는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 기체 분리 공정을 수행하는 예시적 시스템의 개략도를 나타내고;
도 8a-8b는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 전기화학 장치의 베드를 통해 기체를 유동시키기 위한 방법의 개략도를 나타내고;
도 9는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 다양한 퀴논 및 산소 기체에 대한 표로 작성된 전기화학 데이터를 나타내고;
도 10a는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 기체 분리 공정을 수행하는 복수의 전기화학 전지를 포함하는 예시적 시스템의 개략도를 나타내고;
도 10b는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 기체 분리 공정을 수행하는 전기적으로 병렬로 연결된 복수의 전기화학 전지를 포함하는 예시적 시스템의 개략도를 나타내고;
도 10c는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 기체 분리 공정을 수행하는 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 전기화학 전지를 포함하는 예시적 시스템의 개략도를 나타내고;
도 11은, 하나 이상의 실시양태에 따른, 기체 분리 공정을 수행하는, 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 전기화학 전지 및 전기화학 전지 사이의 하나 이상의 전기 전도성 물질을 포함하는 예시적 시스템의 개략도를 나타내고;
도 12a-12d는, N₂ (좌측) 또는 CO₂ (우측)로 포화된 DMF 중 0.1 M [n-Bu₄N]PF₆의 용액 중의 2-클로로-9,10-안트라퀴논 (AQ-Cl) (도 12a), 9,10-안트라퀴논의 에스테르-유도체 (AQ-COO-C₃H₇) (도 12b), 9,10-안트라퀴논 (AQ) (도 12c) 및 9,10-안트라퀴논의 에테르-유도체 (AQ-O-C₃H₇) (도 12d)의 순환 전압전류법을 나타내고;
도 13a-13b는 N₂ 또는 CO₂로 포화된 DMF 중 0.1 M [n-Bu₄N]PF₆의 용액 중의 p-벤조퀴논 (BQ) (도 13a) 및 p-나프토퀴논 (p-NQ) (도 13b)의 순환 전압전류법을 나타내고;
도 14는 증가하는 농도의 CO₂ 기체 (N₂ 밸런스로)로 포화된 DMF 중 0.1 M [n-Bu₄N]PF₆ 중의 용액 중의 p-나프토퀴논 (p-NQ)의 순환 전압전류법을 나타내고;
도 15는 상이한 스캔 속도에서의 20% CO₂ (N₂ 밸런스로)로 포화된 DMF 중 0.1 M [n-Bu₄N]PF₆ 중의 용액 중의 5 mM p-나프토퀴논 (p-NQ)의 순환 전압전류법을 나타내고;
도 16a-16b는 N₂ 또는 CO₂로 포화된 DMF 중 0.1 M [n-Bu₄N]PF₆의 용액 중의 9,10-페난트렌퀴논 (PQ) (도 16a) 및 o-나프토퀴논 (o-NQ) (도 16b)의 순환 전압전류법을 나타낸다.

기체 혼합물로부터의 표적 기체의 전기화학적 분리에 관한 방법, 장치, 및 시스템이 제공된다. 일부 경우에, 전기화학 전지를 사용하여 (예를 들어, 환원 상태의 전기활성 화학종에 대한 결합에 의해) 이산화탄소 등의 표적 기체가 포집되고 임의로 방출된다. 일부 실시양태는 기체 혼합물 중에 존재할 수 있는 산소 기체와는 적게 반응하거나 반응하지 않으면서 표적 기체를 선택적으로 포집하기 위해 특히 유용할 수 있다. 일부 이러한 실시양태는, 직접적 공기 포집 및 환기 공기 처리와 같은, 비교적 저농도의 표적 기체를 갖는 기체 혼합물로부터의 분리를 수반하는 응용에서 유용할 수 있다. 특정 이러한 실시양태는, 열적 또는 압력-스윙 표적 기체 분리와 같은, 특정 기존 기술에 비해 덜 에너지-집약적 또는 고가이다.

일부 측면에서, 기체 혼합물을 적어도 부분적으로 분리하는 방법, 및 이러한 응용을 위해 유용할 수 있는 전기화학 전지 및 기체 분리 시스템이 일반적으로 기재된다. 특정 측면은 전기화학 전지에 걸쳐 전위차를 적용하고 표적 기체 (예를 들어, CO₂)를 포함하는 기체 혼합물 (예를 들어, 저-농도 혼합물, 예컨대 주변 공기, 환기 공기)을 전기화학 전지에 노출시키는 것에 관한 것이다. 전기화학 전지는, 표적 기체와 반응할 수 있지만 산소 기체 등의 잠재적 간섭 화학종과 반응할 수 없는 전기화학 전위에 의해 생성된 상태에 접근할 수 있는 특정 전기활성 화학종 (예를 들어, 특정 임의로 치환된 퀴논 또는 그의 중합체-유도체)을 포함하는 전극을 포함할 수 있다. 전기활성 화학종의 주의깊은 선택 (예를 들어, 표적 기체와 결합할 수 있지만 산소 기체와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 환원 상태를 갖는 전기활성 화학종의 선택)에 의해, 전기활성 화학종과 산소 기체 사이의 반응이 감소되거나 회피될 수 있다. 특정 다른 측면은 포집 및 방출 공정 동안 기체 유동 방법, 뿐만 아니라 저-농도 기체 혼합물로도 높은 생산성으로 표적 기체를 포집할 수 있는 기체 분리 시스템에 관한 것이다.

저-농도 표적 기체 스트림으로부터의 기체 포집을 포함한 표적 기체 포집은 가치 있지만 저비용으로, 또한 에너지-집약적 방법을 사용하지 않고는 수행하기 어려울 수 있다. 기존의 종래의 방법 및 시스템은 높은 에너지 요건 및 폐기물을 포함한 많은 단점을 갖는다. 또한, 표적 기체 (예를 들어, 이산화탄소)를 포집하기 위한 종래의 열적 방법은 규제 기관에 의해 설정된 더욱 엄격한 효율 및 용량 기준을 충족하는 것에 종종 실패한다.

이산화탄소 기체의 제거에 관한 특정한 예로서, 대부분의 이러한 응용이 산업, 발전 및 다른 이러한 포인트 공급원으로부터 높은 CO₂ 농도 (3%-15%)의 스트림을 표적화하지만, 건물 및 자동차 캐빈에서 환기 목적을 위해, 또는 우주선 및 잠수함의 선상 캐빈 환경 제어 시스템을 위해, 폐쇄된 공간으로부터 CO₂를 제거하는 것이 바람직할 수 있는데, 여기서 거주가능 공간에서의 최대 허용 CO₂ 농도는 5,000 ppm (또는 0.5%)이다. 그러나, 이러한 응용에서 저농도의 CO₂는, 잠재적으로 낮은 구동력 및 CO₂에 추가로 공기 중에 존재하는 다량의 다른 화학종으로 인해, 문제를 갖는다. 이러한 우려는 또한, 약 400 ppm의 농도의 대기로부터의 CO₂의 직접적 공기 포집에서 보편적이며, 이는 장기간 완화 전략으로서의 고려를 정당화할 수 있다.

특히 전기화학적 CO₂ 포집과 관련하여 (그러나 다른 표적 기체와도 관련됨), O₂의 전기화학이, 특히 비교적 높은 산소 농도 및/또는 비교적 낮은 CO₂ 농도를 갖는 기체 혼합물에서 (예를 들어, 환기 공기 응용, 직접적 공기 포집 응용 등), 표적 CO₂의 전기화학적으로 매개된 분리에서 중요한 역할을 할 수 있다. 환원 상태에 있을 때 CO₂와 반응하기에 적합할 수 있는 특정 전기활성 화학종은 또한 O₂와 반응이 가능할 수 있다. 비-제한적 예로서, 퀴논은 전형적으로 비양성자성 전해질 용액 (예를 들어, 전도성 액체) 중에서 2개의 연이은 1-전자 환원을 겪고, 두 환원 상태는 CO₂와 효과적으로 착물화되는 것으로 관찰되었다. 퀴논을 활성화시키기 위한 표준 환원 전위가 전기화학적 CO₂ 분리에 적합한 산화환원-활성 분자를 식별하기 위한 중요한 파라미터임이 본 개시내용의 맥락에서 발견되었다. 비양성자성 전해질 용액 중에서, 용해된 O₂ 기체의 1-전자 환원은 안정적 초산화물 이온 (O₂ ^-)을 제공하고, 이는 효과적인 친핵체일 수 있다. 초산화물 이온은, 산 무수물 및 에스테르와 같은, 전자-구인성 이탈 기에 결합되는 카르보닐 원자에 대한 친핵성 부가반응을 겪는다. 이전 연구는, 초산화물 이온이 음이온 라디칼 중간체, CO₄ ^-·에 대하여 비양성자성 전해질 용액 중에서 CO₂를 향해 반응성이고, 이어서 이는 퍼옥소디카르보네이트, C₂O₆ ^2-를 형성함을 입증하였다. 추가로, 통상적 알킬 카르보네이트 전해질, 예컨대 프로필렌 카르보네이트 및 에틸렌 카르보네이트의 사용은 임의의 전기화학 공정에서 초산화물 이온이 생성되는 경우에 권고되지 않음이 본 개시내용의 맥락에서 발견되었다. 따라서, O₂의 1-전자 환원을 위한 표준 환원 전위는 전기화학적 CO₂ 분리에 적합한 산화환원-활성 분자를 식별하는 것을 보조하기 위해 중요한 파라미터이다. 또한, 산소 분자에 의한 전기화학적으로 환원된 (활성화된) 전극의 화학적 산화는 전기화학 전지에서 전하 불균형을 생성할 수 있다. 일부 경우에, 이러한 전하 불균형은 표적 기체-포집 전극을 표적 기체를 향해 불활성으로 만들 수 있다.

이들 통찰을 활용하는 특정 방법 및 전기화학 전지가 개발되었고 일반적으로 본원에 기재된다. 일부 경우에, 방법 및 전기화학 전지 및 시스템은 일렉트로-스윙 흡착 (ESA) 공정에 관한 것이고, 이는 일부 경우에 존재하는 임의의 산소 기체를 적게 제거하거나 제거하지 않으면서 기체 혼합물로부터 표적 기체를 제거할 수 있다.

일부 측면에서는, 전기화학 전지가 기재된다. 도 1a는 음극(110) 및 양극(120)을 포함하는 예시적 전기화학 전지(100)의 개략도를 도시한다. 특정 경우에, 전기화학 전지는 비교적 저농도의 표적 기체를 갖는 표적 기체 혼합물 (예를 들어, 주변 공기, 환기 공기 등)을 적어도 부분적으로 분리하는 것을 포함하는 임의의 다양한 응용에서 기체 혼합물로부터의 표적 기체와의 반응에 적합하다. 용어 "전기화학 전지"는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 음극 및 양극에서 산화환원 반쪽 반응이 일어나는 장치를 지칭한다. 용어 "전기화학 전지"는, 전지의 거동이 틀림없이 패러데이보다 더 유사용량성인 것으로 특성화될 수 있는 경우에도 이들 기준을 충족하고 그에 따라 다른 경우에는 일종의 커패시터로서 언급될 수 있는 장치를 포함하도록 의도된다.

상기에 언급된 바와 같이, 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 음극을 포함한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 전기화학 전지의 음극은 충전 공정 동안 전자가 주입되는 전극을 지칭한다. 예를 들어, 도 1a를 참조하면, 전기화학 전지(100)가 충전될 때 (예를 들어, 외부 전원에 의한 전위의 적용을 통해), 전자는 외부 회로 (나타내지 않음)를 통해 음극 (110) 내로 통과한다. 이와 같이, 일부 경우에, 음극과 회합된 화학종은 전기화학 전지의 충전 공정 동안 환원 상태 (증가된 수의 전자를 갖는 상태)로 환원될 수 있다.

전기화학 전지는 또한 양극을 포함할 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 전기화학 전지의 양극은 충전 공정 동안 전자가 제거되는 전극을 지칭한다. 예를 들어, 다시 도 1a를 참조하면, 전기화학 전지(100)가 충전될 때 (예를 들어, 외부 전원에 의한 전위의 적용을 통해), 전자가 양극 (120)으로부터 외부 회로 (나타내지 않음) 내로 통과한다. 이와 같이, 일부 경우에, 양극과 회합된 화학종이 전기화학 전지의 충전 공정 동안 산화 상태 (감소된 수의 전자를 갖는 상태)로 산화될 수 있다.

일부 실시양태에서, 음극은 제1 전기활성 화학종을 포함한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 전기활성 화학종은 일반적으로 전기화학 전지에서 전기 전위에 노출 시 산화 또는 환원을 겪는 작용제 (예를 들어, 화학적 엔티티)를 지칭한다. 전극이 전기활성 화학종을 포함하는 경우, 전기활성 화학종은 전극의 표면에, 전극의 내부의 적어도 일부에 (예를 들어, 전극의 기공에), 또는 이들 둘 다에 위치할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 도 1에서 음극(110)은 제1 전기활성 화학종을 포함한다. 제1 전기활성 화학종은 음극(110)의 표면 상에 또는 그 근처에 있을 수 있거나, 제1 전기활성 화학종은 음극(110)의 적어도 일부의 내부에 있을 수 있거나, 또는 이들 둘 다의 조합일 수 있다.

일부 실시양태에서, 제1 전기활성 화학종은 음극 상에 고정화된다. 이러한 실시양태는, 전기활성 화학종이, 예를 들어, 수평류를 통해, 하나의 전극으로부터 또 다른 것으로 자유롭게 수송되는 다른 시스템의 것들과 구별될 수 있다. 일반적으로 이해되는 바와 같이, 전극 (예를 들어, 음극) 상에 고정화된 화학종은, 조건의 주어진 세트 하에, 전극으로부터 자유롭게 확산되거나 해리될 수 없는 것이다. 전기활성 화학종은 다양한 방식으로 전극 상에 고정화될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 전기활성 화학종은 전극의 표면 또는 전극에 부착된 화학종 또는 물질에 결합 (예를 들어, 공유 결합, 이온 결합, 및/또는 분자내 상호작용, 예컨대 정전력, 반 데르 발스 힘, 수소 결합 등을 통해)됨으로써 전극 상에 고정화될 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기활성 화학종은 전극 상으로 흡착됨으로써 전극 상에 고정화될 수 있다. 일부 경우에, 전기활성 화학종은 전극 상으로 중합됨으로써 전극 상에 고정화될 수 있다. 특정 경우에, 전기활성 화학종은 전극 상으로 적용되거나 침착되는 조성물 (예를 들어, 코팅, 복합체 층 등) 중에 포함됨으로써 전극 상에 고정화될 수 있다. 특정 경우에, 전기활성 화학종 (예를 들어, 중합체 또는 분자 전기활성 물질)은, 전기활성 물질이 매트에 대하여 고정화되도록, 마이크로섬유 또는, 나노섬유, 또는 탄소 나노튜브 매트에 침윤된다. 매트는 전기 전도도에 대한 확장된 네트워크 뿐만 아니라 전해질 및 기체 접근에 대한 표면적 향상으로서의 향상을 제공할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기활성 화학종은 전극과 회합된 겔 조성물의 부분 (예를 들어, 전극 상에 침착된 층으로서, 전극의 기공으로 침윤되는 조성물로서, 또는 전극의 섬유 또는 나노튜브 등의 전극의 구성요소를 적어도 부분적으로 캡슐화하는 조성물로서)이다. 전기활성 화학종을 포함하는 이러한 겔 (예를 들어, 히드로겔, 이오노겔, 오르가노겔 등)은 전극과의 회합 전에 제조될 수 있거나 (예를 들어, 코팅으로서 적용되어 층을 형성함), 또는 겔은 전극을 겔 전구체 (예를 들어, 전기활성 화학종을 포함하는 예비-중합체 용액)와 접촉시킴 (예를 들어, 코팅 또는 침액을 통해)으로써 전극의 존재 하에 제조될 수 있고, 이어서 겔 형성이 개시될 수 있다 (예를 들어, 가교제의 도입을 통한 가교, 라디칼 개시제, 가열, 및/또는 전자기 방사선 (예를 들어, 자외선 방사선)으로의 광조사를 통해).

하기에 보다 상세히 기재되는 일부 실시양태에서, 음극은 전기활성 및 또 다른 물질 (예를 들어, 탄소질 물질)의 고정화된 중합체 복합체를 포함하는 전기활성 복합체 층을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서 전기활성 복합체 층은 제1 전기활성 화학종을 포함하는 중합체 (예를 들어, 하기에 기재되는 범위의 환원 전위를 갖는 산화환원-활성 중합체) 및 탄소 나노튜브 (CNT)의 복합체를 포함한다.

제1 전기활성 화학종은, 산화 상태 (환원 상태보다 더 적은 전자를 가짐) 및 적어도 하나의 환원 상태 (산화 상태보다 더 많은 전자를 가짐)를 가질 수 있다. 비-제한적 예로서, 제1 전기활성 화학종이 벤조퀴논인 경우, 중성 벤조퀴논은 산화 상태로 고려되고, 세미퀴논 (중성 벤조퀴논에 대한 하나의 전자의 부가의 생성물)은 하나의 환원 상태로 고려되고, 벤조퀴논 이가음이온 (중성 퀴논에 대한 하나의 전자의 부가의 생성물)은 또 다른 환원 상태로 고려된다.

일부 실시양태에서, 제1 전기활성 화학종은, 화학종이 표적 기체 (예를 들어, CO₂)와 결합할 수 있는 적어도 하나의 환원 상태를 갖는다. 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있다는 것은 일반적으로, 화학종이 유용한 기체 분리 공정이 나타나게 하기에 충분히 상당한 정도로, 또한 충분히 상당한 속도로 표적 기체와 결합 반응을 겪는 능력을 지칭한다. 예를 들어, 표적 기체과 결합할 수 있는 화학종은 실온 (23℃)에서 10¹ M^-1 이상, 10² M^-1 이상, 및/또는 최대 10³ M^-1, 또는 그 초과의 표적 기체와의 결합 상수를 가질 수 있다. 표적 기체와 결합할 수 있는 화학종은 수 분 정도, 수 초 정도, 수 밀리초 정도의, 또는 수 마이크로초 또는 그 미만 정도만큼 낮은 시간 척도로 표적 기체와 결합할 수 있다. 화학종은 적어도 하나의 온도 (예를 들어, 223 K 이상 및 573 K 이하의 적어도 하나의 온도, 예컨대 298 K)에서 표적 기체와 결합이 가능할 수 있다. 일부 실시양태에서, 화학종은 제1 온도에서 표적 기체와 결합할 수 있지만, 제2 온도에서의 표적 기체와의 결합은 열역학적으로 및/또는 동역학적으로 불리하다. 이러한 온도 의존성은 화학종 (예를 들어, 환원된 퀴논)과 표적 기체 (예를 들어, 이산화탄소) 사이의 깁스(Gibbs) 자유 에너지 변화의 온도 의존성에 기초할 수 있다. 본 개시내용의 통찰 및 지침으로, 관련 기술분야의 통상의 기술자는 적어도 하나의 환원 상태의 화학종과 표적 기체 사이의 결합을 촉진시키기 위한 적절한 온도를 선택할 수 있다.

일부 실시양태에서, 제1 전기활성 화학종은 이것이 결합된 표적 기체를 방출시킬 수 있는 산화 상태를 갖는다. 제1 전기활성 화학종은, 적어도 하나의 환원 상태에서 의도되는 특정한 응용을 위해 이것이 의도된 표적 기체에 대한 강한 친화도를 갖도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, CO₂가 표적 기체인 경우, 선택된 제1 전기활성 화학종은 10¹ 내지 10³ M^-1의 이산화탄소와의 결합 상수를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 선택된 전기활성 화학종은 10¹ 내지 10³ M^-1의 상이한 표적 기체와의 결합 상수를 가질 수 있다. 일부 퀴논이 적합한 전기활성 화학종으로서 사용될 수 있음이 관찰되었다. 일부 실시양태에서, CO₂의 존재 하에, 임의로 치환된 퀴논은 그의 세미퀴논 또는 이가음이온으로 환원될 수 있고 (예를 들어, 단일 단계 또는 다중 단계로), 이는 이어서 CO₂에 결합하여 착물을 형성한다. 환원에 따라, CO₂와 공유 결합을 형성하여 카르복실레이트 모이어티를 형성할 수 있는 다른 전기활성 화학종이 사용될 수도 있다.

일부 실시양태에서, 제1 전기활성 화학종은, 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만, 화학종이 산소 (O₂)와 반응하는 것이 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 온도 (예를 들어, 298 K)가 존재하는 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는다. 특정 경우에, 제1 전기활성 화학종은, 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만, 화학종이 산소 (O₂)와 반응하는 것이, 기체 포집에 맞는 시간 척도, 예컨대 마이크로초, 밀리초, 초, 또는 분으로 반응이 일어나기에 반응의 속도 상수가 지나치게 낮기 때문에, 동역학적으로 불리한 적어도 하나의 온도 (예를 들어, 298 K)가 존재하는 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는다. 상기에 언급된 바와 같이, 전기활성 화학종이 표적 기체와 반응하지만 산소와는 반응 (적어도 열역학적으로 및/또는 동역학적으로 유리한 방식으로)하지 않는 능력은, 분리될 기체 혼합물 중에 비교적 많은 양의 산소가 존재하는 특정 응용에서 또는 표적 기체가 비교적 적은 양으로 존재하는 (이로써, 산소가 존재하는 경우, 적어도 하나의 환원 상태와 반응하기 위해 산소 기체와 경쟁하여야 함) 경우에 유용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 전기활성 화학종은, 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만, 화학종이 223 K 이상, 248 K 이상, 273 K 이상, 298 K 이상, 및/또는 최대 323 K, 최대 348 K, 최대 373 K, 최대 398 K, 최대 423 K, 최대 448 K, 최대 473 K, 최대 498 K, 최대 523 K, 최대 548 K, 최대 573 K, 또는 그 초과 범위의 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와 반응하는 것이 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는다. 일부 실시양태에서, 제1 전기활성 화학종은, 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만, 화학종이 298 K의 온도에서 산소 (O₂)와 반응하는 것이 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는다. 주어진 온도에서 열역학적으로 불리한 반응은, 본원에서 사용되는 바와 같이, 그 온도에서 양의 깁스 자유 에너지 변화 (ΔG_rxn)를 갖는 반응을 지칭함을 이해하여야 한다. 예를 들어, 적어도 하나의 환원 상태의 화학종과 산소 기체 사이의 반응은 223 K 이상, 248 K 이상, 273 K 이상, 298 K 이상, 및/또는 최대 323 K, 최대 348 K, 최대 373 K, 최대 398 K, 최대 423 K, 최대 448 K, 최대 473 K, 최대 498 K, 최대 523 K, 최대 548 K, 최대 573 K, 또는 그 초과 범위의 적어도 하나의 온도에서 0 kcal/mol 초과, +0.1 kcal/mol 이상, +0.5 kcal/mol 이상, +1 kcal/mol 이상, +2 kcal/mol 이상, +3 kcal/mol 이상, +5 kcal/mol 이상, 및/또는 최대 +8 kcal/mol, 최대 +10 kcal/mol, 최대 +20 kcal/mol, 또는 그 초과의 깁스 자유 에너지 변화 (ΔG_rxn)를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 환원 상태의 화학종과 산소 기체 사이의 반응은 298 K의 온도에서 0 kcal/mol 이상, +0.1 kcal/mol 이상, +0.5 kcal/mol 이상, +1 kcal/mol 이상, +2 kcal/mol 이상, +3 kcal/mol 이상, +5 kcal/mol 이상, 및/또는 최대 +8 kcal/mol, 최대 +10 kcal/mol, 최대 +20 kcal/mol, 또는 그 초과의 깁스 자유 에너지 변화 (ΔG_rxn)를 갖는다.

표적 기체에 결합할 수 있는 일부 전기활성 화학종은 그럼에도 불구하고 또한 산소 또는 그의 환원 생성물 (예를 들어, 초산화물 이온, 과산화물 이가음이온 등)에 대하여 반응성일 수 있음이 본 개시내용의 맥락에서 발견되었다. 일부 이러한 경우에, 산소 또는 그의 환원 생성물과의 반응성은 기체 분리 공정에 해롭다. 예를 들어, 산소와의 반응성은 표적 기체가 포집되는 효율을 감소시킬 수 있거나, 또는 초산화물 이온 또는 과산화물 이온은 전기화학 전지의 구성요소 (예를 들어, 전기활성 화학종, 표적 기체, 세퍼레이터, 존재하는 경우 전도성 액체)에 대한 해로운 반응성을 가질 수 있다. 그러나, 일부 특정한 전기활성 화학종은 표적 기체에 결합할 수 있지만 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 및/또는 동역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 가질 수 있음이 본 개시내용의 맥락에서 발견되었다. 일부 이러한 전기활성 화학종에 대한 예 및 선택 기준이 하기에 보다 상세히 기재된다.

일부 실시양태에서, 전도성 액체 중의 제1 전기활성 화학종의 적어도 하나의 환원 상태의 생성을 위한 표준 환원 전위는 산소 기체 (O₂)와 초산화물 이온 (O₂ ^-) 사이의 상호전환을 위한 표준 환원 전위보다 더 큰 양의 값이다. 이러한 표준 환원 전위를 갖는 것은 적어도 하나의 환원 상태의 화학종이 표적 기체에 결합할 수 있으면서 또한 산소 기체와 반응하는 것은 열역학적으로 불리하게 되는 데 기여할 수 있다. 예로서, 실온에서 디메틸포름아미드 (DMF) 중의 0.1 M n-테트라부틸암모늄 헥사플루오로포스페이트의 전도성 액체 중에서, (O₂/O₂ ^-) 산화환원 커플은 주어진 참조물에 대해 -1.35 V의 표준 환원 전위를 가질 수 있다. 따라서, 실온에서 그 전도성 액체 중에서 그 주어진 참조물에 대하여 -1.35 V보다 더 큰 양의 값의 표준 환원 전위를 갖는 임의의 적합한 전기활성 화학종은, 산소 기체 (O₂)와 초산화물 이온 (O₂ ^-) 사이의 상호전환을 위한 표준 환원 전위보다 더 큰 양의 값의 적어도 하나의 환원 상태를 갖는다고 할 것이다. 일부 실시양태에서, 전도성 액체 중의 제1 전기활성 화학종의 산화 상태와 적어도 하나의 환원 상태 사이의 상호전환을 위한 표준 환원 전위는 초산화물 (O₂ ^-)과 과산화물 (O₂ ^2-) 사이의 상호전환을 위한 표준 환원 전위보다 더 큰 양의 값이다.

관련 기술분야의 통상의 기술자는, 본 개시내용의 이익으로, 주어진 전도성 액체 중의 전기활성 화학종의 표준 환원 전위를 결정할 수 있다. 예를 들어, 순환 전압전류법, 선형 스윕 전압전류법, 또는 임의의 다른 적합한 전기화학 기술을 사용하여 표준 환원 전위를 측정할 수 있다. 순환 전압전류 파가 전기활성 화학종에 대해 비가역적인 일부 경우에, 표준 환원 전위는 피크 전위와 같은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 적합한 기술을 사용하여 근사될 수 있다. 표준 환원 전위는 그것이 측정되는 온도에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시양태에서, 표준 환원 전위는 상기에 언급된 임의의 온도, 예컨대 298 K에서 측정된다.

일부 실시양태에서, 전도성 액체 중의 제1 전기활성 화학종의 적어도 하나의 환원 상태의 생성을 위한 표준 환원 전위는 산소 기체 (O₂)와 초산화물 이온 (O₂ ^-) 사이의 상호전환을 위한 표준 환원 전위보다 적어도 5 mV, 적어도 10 mV, 적어도 20 mV, 적어도 50 mV, 적어도 100 mV, 적어도 200 mV, 적어도 400 mV, 또는 그 초과로 더 큰 양의 값이다. 예로서, 전도성 액체 중의 산소 기체 및 초산화물 이온의 상호전환이 주어진 참조물에 대하여 -1.35 V이고, 전기활성 화학종이 그 주어진 참조물에 대하여 -1.00 V의 화학종의 환원 상태의 생성을 위한 표준 환원 전위를 갖는 경우, 그 전기활성 화학종은 산소 기체 (O₂)와 초산화물 이온 (O₂ ^-) 사이의 상호전환을 위한 표준 환원 전위보다 350 mV 더 큰 양의 값인 그 환원 상태의 생성을 위한 표준 환원 전위를 갖는다. 일부 실시양태에서, 전도성 액체 중의 제1 전기활성 화학종의 적어도 하나의 환원 상태의 생성을 위한 표준 환원 전위는, 산소 기체 (O₂)와 초산화물 이온 (O₂ ^-) 사이의 상호전환을 위한 표준 환원 전위보다 1 V 이하, 900 mV 이하, 800 mV 이하, 600 mV 이하, 또는 500 mV 이하로 더 큰 양의 값인 전위이다.

일부 실시양태에서, 전도성 액체 중의 제1 전기활성 화학종의 적어도 하나의 환원 상태의 생성을 위한 표준 환원 전위는, 초산화물 이온 (O₂ ^-)과 과산화물 이가음이온 (O₂ ^2-) 사이의 상호전환을 위한 표준 환원 전위보다 적어도 5 mV, 적어도 10 mV, 적어도 20 mV, 적어도 50 mV, 적어도 100 mV, 적어도 200 mV, 적어도 400 mV, 또는 그 초과로 더 큰 양의 값이다. 일부 실시양태에서, 전도성 액체 중의 제1 전기활성 화학종의 적어도 하나의 환원 상태의 생성을 위한 표준 환원 전위는, 초산화물 이온 (O₂ ^-)과 과산화물 이가음이온 (O₂ ^2-) 사이의 상호전환을 위한 표준 환원 전위보다 1 V 이하, 900 mV 이하, 800 mV 이하, 600 mV 이하, 또는 500 mV 이하로 더 양의 값인 전위이다.

제1 전기활성 화학종은, 이것이 본원에서 요구되는 기준 중 적어도 하나를 만족시킨다면, 임의의 적합한 형태를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 전기활성 화학종은 분자 화학종이거나 그를 포함한다. 예를 들어, 제1 전기활성 화학종은 유기 분자이거나 그를 포함할 수 있다. 제1 전기활성 화학종은 표적 기체 및 기체 혼합물에 결합할 수 있는 (예를 들어, 전기활성 화학종이 환원 상태일 때) 하나 이상의 관능기를 포함할 수 있다. 관능기는, 예를 들어, 카르보닐 기를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 전기활성 화학종은 중합체, 예컨대 산화환원-활성 중합체의 부분이다. 제1 전기활성 화학종은 음극 상에 고정화된 중합체 물질의 부분일 수 있다. 예를 들어, 도 1a를 참조하면, 제1 전기활성 화학종은 전기화학 전지(100)의 음극(110) 상에 고정화된 중합체 물질의 부분일 수 있다.

일부 실시양태에서, 제1 전기활성 화학종은 임의로 치환된 퀴논이거나 그를 포함한다 (즉, 퀴논은 퀴논의 주요 구조에 결합된 관능기 및/또는 다른 모이어티 또는 연결기를 포함할 수 있음). 특정 경우에, 제1 전기활성 화학종은 임의로 치환된 퀴논을 포함하는 산화환원-활성 중합체이거나 그를 포함한다. 임의로 치환된 퀴논 상의 치환체 (예를 들어, 관능기)의 선택은 임의로 치환된 퀴논의 표준 환원 전위에 대한 그의 영향을 포함하나 이에 제한되지는 않는 임의의 다양한 요인에 따라 달라질 수 있다. 통상의 기술자는, 본 개시내용의 이익으로, 임의로 치환된 퀴논 상의 어떤 치환체 또는 치환체의 조합이, 예를 들어, 합성 가능성 및 생성된 표준 환원 전위에 기초하여 제1 전기활성 화학종에 적합한지를 결정하는 방법을 이해한다. 임의로 치환된 퀴논이 관능화될 수 있는 예시적 관능기는 할로 (예를 들어, 클로로, 브로모, 아이오도), 히드록실, 카르복실레이트/카르복실산, 술포네이트/술폰산, 알킬술포네이트/알킬술폰산, 포스포네이트/포스폰산, 알킬포스포네이트/알킬포스폰산, 아실 (예를 들어, 아세틸, 에틸 에스테르 등), 아미노, 아미도, 4급 암모늄 (예를 들어, 테트라알킬아미노), 분지형 또는 비분지형 알킬 (예를 들어, C1-C18 알킬), 헤테로알킬, 알콕시, 글리콕시, 폴리알킬렌글리콕시 (예를 들어, 폴리에틸렌글리콕시), 이미노, 폴리이미노, 분지형 또는 비분지형 알케닐, 분지형 또는 비분지형 알키닐, 아릴, 헤테로아릴, 헤테로시클릴, 니트로, 니트릴, 티일, 및/또는 카르보닐 기 (이들 중 임의의 것은 임의로 치환됨)를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.

제1 전기활성 화학종의 임의로 치환된 퀴논은 화학식 (IA) 및 (IB)로부터 선택된 구조 중 하나 이상을 포함할 수 있다:

여기서 R¹, R², R³, 및 R⁴는 동일하거나 상이할 수 있고, 수소, 할로 (예를 들어, 클로로, 브로모, 아이오도), 히드록실, 카르복실레이트/카르복실산, 술포네이트/술폰산, 알킬술포네이트/알킬술폰산, 포스포네이트/포스폰산, 알킬포스포네이트/알킬포스폰산, 아실 (예를 들어, 아세틸, 에틸 에스테르 등), 아미노, 아미도, 4급 암모늄 (예를 들어, 테트라알킬아미노), 분지형 또는 비분지형 알킬 (예를 들어, C1-C18 알킬), 헤테로알킬, 알콕시, 글리콕시, 폴리알킬렌글리콕시 (예를 들어, 폴리에틸렌글리콕시), 이미노, 폴리이미노, 분지형 또는 비분지형 알케닐, 분지형 또는 비분지형 알키닐, 아릴, 헤테로아릴, 헤테로시클릴, 니트로, 니트릴, 티일, 및/또는 카르보닐 기 (이들 중 임의의 것은 임의로 치환됨)일 수 있고/거나 R¹-R⁴ 중 임의의 2개의 인접 기가 함께 연결되어 임의로 치환된 고리를 형성할 수 있다.

일부 실시양태에서, 임의로 치환된 퀴논은 임의로 치환된 나프토퀴논이거나 그를 포함한다. 특정 경우에, 임의로 치환된 퀴논은 임의로 치환된 안트라퀴논이거나 그를 포함한다. 일부 실시양태에서, 임의로 치환된 퀴논은 임의로 치환된 페난트렌퀴논 (또한 임의로 치환된 페난트렌디온로서 언급됨)이거나 그를 포함한다. 치환체 (예를 들어, 관능기)는 상기에 열거된 것들 중 임의의 것일 수 있다.

일부 실시양태에서, 전기활성 화학종은, 페난트렌퀴논 에스테르 (PQ-에스테르), 아이오도-페난트렌퀴논 (PQ-I), 디-아이오도-페난트렌퀴논 (PQ-I₂), 페난트렌퀴논 (PQ), 오르토-나프토퀴논 (o-NQ), 디메틸-파라-나프토퀴논 (p-NQ-Me₂), 파라-나프토퀴논 (p-NQ), 디-tert-부틸-벤조퀴논 (TBQ), 및 벤조퀴논 (BQ) 중 하나 이상이거나 그를 포함하고, 그의 구조는 하기에 제시되며:

여기서 R⁵는 임의로 치환된 분지형 또는 비분지형 C1-C18 알킬 (예를 들어, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸 등)이다.

일부 경우에는, 전기활성 화학종의 상기 비-제한적 예의 다른 위치이성질체 (예를 들어, 퀴논의 상이한 위치에 치환체를 가짐) 또한 적합하다.

상기에 언급된 바와 같이, 제1 전기활성 화학종은 산화환원-활성 중합체의 부분일 수 있다. 일부 경우에, 본원에 기재된 임의의 임의로 치환된 퀴논은 산화환원-활성 중합체의 부분일 수 있다. 일부 이러한 경우에, 산화환원-활성 중합체의 적어도 일부는 백본 사슬 및 백본 사슬에 공유 결합된 임의로 치환된 퀴논 중 하나 이상을 포함한다. 백본 사슬은 일반적으로 중합체 분자의 연속 사슬을 함께 생성하는 가장 긴 일련의 공유 결합 원자를 지칭한다. 특정 다른 경우에, 본원에 기재된 임의로 치환된 퀴논은 산화환원-활성 중합체의 백본 사슬의 부분일 수 있다.

전기활성 화학종 (예를 들어, 제1 전기활성 화학종)은 가교된 중합체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 전기활성 화학종은 히드로겔, 이오노겔, 오르가노겔, 또는 이들의 조합을 포함하거나 이들 내로 혼입된다. 이러한 가교된 중합체 물질은 일반적으로 관련 기술분야에 공지되어 있고, 일부 경우에 3차원 구조의 부분으로서 본원에 기재된 전기활성 화학종을 포함할 수 있다 (예를 들어, 공유 결합을 통해). 그러나, 일부 실시양태에서, 전기활성 화학종은 흡착 (예를 들어, 물리흡착 및/또는 화학흡착)을 통해 가교된 중합체 물질 내로 혼입된다. 일부 실시양태에서, 전기활성 화학종은 연장된 네트워크를 포함한다. 예를 들어, 전기활성 화학종은 금속 유기 프레임워크 (MOF) 또는 공유 유기 프레임워크 (COF)를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기활성 화학종은 관능화된 탄소질 물질을 포함한다. 예를 들어, 전기활성 화학종은 관능화된 그래핀, 관능화된 탄소 나노튜브, 관능화된 탄소 나노리본, 에지-관능화된 흑연, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

일부 실시양태에서는, 음극과 양극 사이에 세퍼레이터가 있다. 예를 들어, 도 1b를 참조하면, 음극(110)과 양극(120) 사이에 세퍼레이터(130)가 있다. 세퍼레이터는 각각의 전극에서의 각각의 전기화학 반응이 서로 방해하는 것을 막을 수 있는 보호 층의 역할을 할 수 있다. 세퍼레이터는 또한, 단락을 막기 위해 음극 및 양극을 서로 및/또는 전기화학 전지 내의 다른 구성요소로부터 전자적으로 단리하는 것을 도울 수 있다. 통상의 기술자는, 본 개시내용의 이익으로, 적합한 세퍼레이터를 선택할 수 있을 것이다. 세퍼레이터는 다공성 구조를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 세퍼레이터는 다공성 고체 물질이거나 그를 포함한다. 일부 실시양태에서, 세퍼레이터는 멤브레인이거나 그를 포함한다. 세퍼레이터의 멤브레인은 적합한 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 세퍼레이터의 멤브레인은 플라스틱 필름이거나 그를 포함할 수 있다. 포함되는 플라스틱 필름의 비-제한적 예는 폴리아미드, 폴리올레핀 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄 수지, 또는 아크릴 수지를 포함하고, 이는 그 안에 분산된 탄산리튬, 또는 수산화칼륨, 또는 나트륨-칼륨 과산화물을 함유한다. 세퍼레이터에 대한 물질은 셀룰로스 멤브레인, 중합체 물질, 또는 중합체-세라믹 복합체 물질을 포함할 수 있다. 세퍼레이터의 추가의 예는 폴리비닐리덴 디플루오라이드 (PVDF) 세퍼레이터, PVDF-알루미나 세퍼레이터, 또는 셀가드(Celgard)를 포함한다.

일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 전도성 액체 (예를 들어, 이온성 액체)를 함유하는 또는 함유할 수 있는 하나 이상의 세퍼레이터를 포함한다. 예로서, 도 1b를 참조하면, 전기화학 전지(100)의 세퍼레이터(130)는 전도성 액체를 함유하거나 함유가능할 수 있다. 전도성 액체는 일반적으로 실온 (23℃)에서 비교적 높은 전기 전도도를 갖는 액체를 지칭한다. 전도성 액체는 음극 및 양극을 수반하는 전기화학 회로에서 전기화학 반응을 용이하게 하기에 충분히 높은 전기 전도도를 가질 수 있다. 전도성 액체는 일반적으로, 이것이 이온의 수송을 용이하게 할 수 있다는 점에서, 이온 전도성이다. 그러나, 전도성 액체는 일반적으로 전기화학 전지의 단락을 막기 위해 비교적 낮은 전자 전도도 (예를 들어, 전자 또는 정공을 통한 것과 같은 전자 전하의 이동으로 인한 전도도)를 갖는다.

일부 경우에, 전도성 액체를 함유하는 세퍼레이터는 적어도 부분적으로 (또는 완전히) 전도성 액체로 함침된다. 예를 들어, 세퍼레이터는 전도성 액체로 침액되거나, 코팅되거나, 디핑되거나, 또는 다른 방식으로 그와 회합됨에 따라 소정량의 전도성 액체를 흡수할 수 있다. 세퍼레이터가 다공성인 일부 이러한 경우에, 세퍼레이터의 기공의 일부 또는 전부 (세퍼레이터의 내부 및/또는 표면 근처의)는 적어도 부분적으로 전도성 액체로 충전될 수 있다. 일부 실시양태에서, 세퍼레이터는 전도성 액체로 포화된다. 전도성 액체로 포화되는 세퍼레이터는 일반적으로 실온 (23℃) 및 주변 압력에서 그 세퍼레이터의 부피 내에 함유될 수 있는 최대량의 전도성 액체를 함유하는 세퍼레이터를 지칭한다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 세퍼레이터 내에 존재하는 전도성 액체 없이 제공될 수 있지만, 세퍼레이터는 기체 분리 공정을 수행하기 위해 작업에 도입될 때 전도성 액체를 함유할 수 있다. 세퍼레이터가 전도성 액체를 함유할 수 있는 하나의 방식은, 비교적 높은 다공도를 갖고/거나, 전도성 액체를 흡수하고/거나 그에 의해 습윤화될 수 있는 물질을 함유함에 의한 것이다.

일부 실시양태에서 전도성 액체는 이온성 액체, 예를 들어, 실온 이온성 액체 ("RTIL")를 포함한다. RTIL 전해질은 낮은 휘발성 (즉, 10^-5 Pa 미만, 예를 들어, 10^-10 내지 10^-5 Pa의 실온 증기압)을 가질 수 있고, 이로써 전극 건조의 위험을 감소시키고, 증발 또는 비말동반에 대한 상당한 손실 없이 전극을 지나가는 기체의 유동을 가능하게 한다. 일부 실시양태에서, 이온성 액체는 전도성 액체의 실질적으로 전부 (예를 들어, 적어도 80 vol%, 적어도 90 vol%, 적어도 95 vol%, 적어도 98 vol%, 적어도 99 vol%, 적어도 99.9 vol%)를 구성한다.

이온성 액체는 음이온 구성요소 및 양이온 구성요소를 포함할 수 있다. 이온성 액체의 음이온은, 제한 없이, 할라이드, 술페이트, 술포네이트, 카르보네이트, 비카르보네이트, 포스페이트, 니트레이트, 니트레이트, 아세테이트, PF₆ ^-, BF₄ ^-, 트리플레이트, 노나플레이트, 비스(트리플릴)아미드, 트리플루오로아세테이트, 헵타플루로로부타노에이트, 할로알루미네이트, 트리아졸리드, 및 아미노산 유도체 (예를 들어, 질소 상의 양성자가 제거된 프롤린)를 포함할 수 있다. 이온성 액체의 양이온은, 제한 없이, 이미다졸륨, 피리디늄, 피롤리디늄, 포스포늄, 암모늄, 술포늄, 티아졸륨, 피라졸륨, 피페리디늄, 트리아졸륨, 피라졸륨, 옥사졸륨, 구아나디늄, 및 디알킬모르폴리늄을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 실온 이온성 액체는 양이온 구성요소로서 이미다졸륨을 포함한다. 일례로서, 일부 실시양태에서, 실온 이온성 액체는 양이온 구성요소로서 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 ("Bmim")을 포함한다. 일부 실시양태에서, 실온 이온성 액체는 음이온 구성요소로서 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 ("TF₂N")를 포함한다. 일부 실시양태에서, 실온 이온성 액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 ([Bmim][TF₂N])를 포함하고, 이는 하기 화학식 (IIA)으로 표시된다:

일부 실시양태에서, 실온 이온성 액체는 1-부틸-3- 메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 (BF₄) ([Bmim][BF₄])를 포함하고, 이는 하기 화학식 (IIB)으로 표시된다:

일부 실시양태에서, 전도성 액체는 저-휘발성 전해질 용액을 포함한다. 예를 들어, 전도성 액체는 비교적 높은 비점을 갖는 액체 용매 및 그 안에 용해된 이온성 화학종 (예를 들어, 용해된 지지 전해질 이온)을 포함할 수 있다. 비교적 높은 비점을 갖는 액체 용매는 비-수성일 수 있다. 예를 들어, 액체 용매는 N,N-디메틸포름아미드 (DMF) 등을 포함할 수 있다.

양극으로 돌아가서, 일부 실시양태에서, 양극은 제2 전기활성 화학종을 포함한다. 제2 전기활성 화학종은 음극의 제1 전기활성 화학종과 상이한 조성물일 수 있지만, 일부 실시양태에서는 제2 전기활성 화학종이 제1 전기활성 화학종과 동일하다. 일부 실시양태에서 양극은 제2 전기활성 화학종을 포함하는 전기활성 층 (때때로 상보적 전기활성 층으로서 언급됨)을 포함한다. 상보적 전기활성 층은 복합체의 형태일 수 있고, 이와 같이, 상보적 전기활성 복합체 층일 수 있다. 작업에서, 이 제2 전기활성 화학종은 음극 중에 존재하는 제1 전기활성 화학종의 환원을 위한 전자의 공급원의 역할을 할 수 있다. 마찬가지로, 제2 전기활성 화학종은 제1 전기활성 화학종의 산화 동안 전자에 대한 싱크의 역할을 할 수 있다. 이러한 방식으로 양극의 전기활성 층이 "상보적"으로 기재될 수 있는 것이다. 제2 전기활성 화학종은, 예를 들어, 산화환원-활성 중합체를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 산화환원-활성 중합체는 페로센 (예를 들어, 중합체 백본에 결합된 모이어티로서)을 포함하는 중합체이거나 그를 포함한다. 일부 실시양태에서, 제2 전기활성 화학종은 메탈로센 (예를 들어, 페로센)을 포함한다. 일부 이러한 경우에, 제2 전기활성 화학종은 메탈로센을 포함하는 산화환원-활성 중합체를 포함한다. 하나의 비-제한적 실시양태로서, 산화환원-활성 중합체는 폴리비닐 페로센을 포함한다. 또 다른 예로서, 제2 전기활성 화학종은 티오펜을 포함하는 중합체를 포함할 수 있다. 일부 이러한 경우에, 제2 전기활성 화학종은 폴리(3-(4-플루오로페닐)티오펜)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제2 전기활성 화학종은 페노티아진을 포함한다. 또 다른 예로서, 일부 실시양태에서, 제2 전기활성 화학종은 (2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-일)옥실 ("TEMPO"로서 언급됨), 또는 이들의 유도체 (예를 들어, 임의적 치환체를 포함함)를 포함한다. 특정 경우에, 제2 전기활성 화학종은 제1 전기활성 화학종의 제1 환원 전위보다 적어도 0.5 볼트 (V), 적어도 0.6 V, 적어도 0.8 V, 및/또는 최대 1.0 V, 최대 1.5 V, 또는 그 초과로 더 양의 값의 표준 환원 전위를 갖는 패러데이 산화환원 화학종을 포함한다.

음극의 1차 전기활성 복합체 층과 같이, 양극의 상보적 전기활성 복합체 층은 전기활성 화학종 및 또 다른 물질 (예를 들어, 탄소질 물질)의 고정화된 중합체 복합체를 포함할 수 있다. 탄소질 물질의 예는 탄소 나노튜브 (예를 들어, 단일-벽 탄소 나노튜브, 다중-벽-탄소 나노튜브), 카본 블랙, 케첸블랙(KetjenBlack), 카본 블랙 수퍼(Super) P, 또는 그래핀을 포함한다. 다른 물질 또한 가능하다. 특정 경우에, 제2 전기활성 화학종은 양극 상으로 적용되거나 침착되는 조성물 (예를 들어, 코팅, 복합체 층 등) 중에 포함됨으로써 양극 상에 고정화될 수 있다. 특정 경우에, 제2 전기활성 화학종 (예를 들어, 중합체 또는 분자 전기활성 물질)은, 제2 전기활성 화학종이 양극의 매트에 대하여 고정화되도록, 양극과 회합된 마이크로섬유, 나노섬유, 또는 탄소 나노튜브 매트에 침윤된다. 제2 전기활성 화학종은 또한, 제1 전기활성 화학종에 대하여 상기에 기재된 것과 동일한 또는 유사한 방식으로 양극과 회합된 겔의 부분일 수 있다.

하나 이상의 실시양태에 따르면, 양극의 전기활성 복합체 층은 탄소질 물질에 대한 전기활성 물질의 중량의 특정한 비율을 가질 수 있다. 중량 기준 비율은 전기활성 물질의 질량당 높은 전류를 용이하게 하도록 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상보적 전기활성 복합체 층에서 전기활성 물질의 질량 대 탄소질 물질의 질량의 중량 기준 비율은 1 대 2 내지 2 대 1일 수 있다. 일부 실시양태에서, 이는 1 대 1일 수 있다. 다른 비율 또한 가능하다.

일부 경우에, 전기화학 전지의 하나 이상의 전극은 전기활성 복합체 층을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 음극은 전기활성 복합체 층 (예를 들어, 1차 전기활성 복합체 층)을 포함한다. 다시 도 1b를 참조하면, 특정 실시양태에 따르면, 음극(110)은 양극(120)을 향하는 복합 전기활성 복합체 층(114)을 포함한다. 특정 경우에, 양극은 전기활성 복합체 층 (예를 들어, 상보적 전기활성 복합체 층)을 포함한다. 예를 들어, 도 1b에서, 음극(120)은 음극(110)을 향하는 전기활성 복합체 층(124)을 포함한다. 양극의 전기활성 복합체 층은, 그 안의 전기활성 화학종이 음극의 전기활성 물질에 대한 전자 싱크 또는 전자 공급원의 역할을 하기 때문에, 상보적 전기활성 복합체 층으로서 언급될 수 있다. 일부 경우에, 전극 (예를 들어, 음극, 양극)의 전기활성 복합체 층은 전극의 전체 두께 치수를 통해 연장된다. 예를 들어, 전기활성 복합체 층은 전극의 전체 두께를 통해 층간삽입될 수 있다. 그러나, 일부 실시양태에서, 전극의 전기활성 복합체 층은 전극의 전체 두께 치수를 통해 연장되지 않는다. 일부 이러한 경우에, 전기활성 복합체 층은 전극의 전체 두께가 아닌 일부를 통해 층간삽입된다. 특정 경우에, 전기활성 복합체 층은 전극의 또 다른 구성요소 (예를 들어, 집전체, 기체 투과성 층 등)의 표면 상의 코팅이다.

일부 실시양태에서, 전극의 전기활성 화학종 (예를 들어, 음극의 제1 전기활성 화학종, 양극의 제2 전기활성 화학종)은 전기활성 복합체 층의 부분이다. 예를 들어, 도 1b에서, 전기활성 복합체 층(114)은, 일부 실시양태에 따르면, 본원에 기재된 제1 전기활성 화학종을 포함한다. 유사하게, 일부 실시양태에서, 전기활성 복합체 층(124)은 제2 전기활성 화학종 (예를 들어, 폴리비닐페로센)을 포함한다.

전기활성 화학종에 추가로, 음극의 전기활성 복합체 층은 또한 탄소질 물질을 포함할 수 있다. 적합한 물질의 예는 탄소 나노튜브 (예를 들어, 단일-벽 탄소 나노튜브, 다중-벽-탄소 나노튜브), 카본 블랙, 케첸블랙, 카본 블랙 수퍼 P, 그래핀, 또는 이들의 조합을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 다른 예는 또한, 층간삽입, 그래프팅, 화학 증착 (CVD) 또는 다른 것을 통한 마이크로섬유, 나노섬유 또는 탄소 나노튜브 매트 내로/상으로의 전기활성 화학종의 고정화 및/또는 코팅 (예를 들어, 중합체 또는 분자 형태 또는 다른 것)을 포함한다.

하나 이상의 실시양태에 따르면, 음극의 전기활성 복합체 층은 전기활성 화학종 대 탄소질 물질의 중량의 특정한 비율을 가질 수 있다. 중량 기준 비율은 전기활성 물질의 질량당 높은 전자 전류를 용이하게 하도록 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기활성 물질의 질량 대 탄소질 물질의 질량의 중량 기준 비율은 1 대 1 내지 1 대 10일 수 있다. 일부 실시양태에서, 이는 1 대 3일 수 있다. 다른 비율도 가능하다.

음극은 기체 투과성 층을 추가로 포함할 수 있다. 기체 투과성 층 (이는 또한 기판 층으로서 언급될 수 있음)은 전기활성 복합체 층에 근접하며, 전기화학 전지로부터 바깥쪽으로 향해 있다. 일부 실시양태에서, 기체 투과성 층은 제1 전기활성 화학종과 접촉된다. 일부 이러한 경우에, 기체 투과성 층은 제1 전기활성 화학종과 직접적으로 접촉되지만, 다른 이러한 경우에, 기체 투과성 층은 제1 전기활성 화학종과 간접적으로 접촉된다. 부분 (예를 들어, 층)이 또 다른 부분 "상에" 있거나 그와 "접촉되는" 경우, 이는 직접적으로 그 부분 상에 있거나, 개재 부분 (예를 들어, 층)이 또한 존재할 수 있음 (이 경우 부분은 "간접적으로 다른 부분 상에" 있거나 "다른 부분과 간접적으로 접촉"되는 것으로 이해됨)을 이해하여야 한다. "직접적으로 또 다른 부분 상에" 있는, "또 다른 부분과 직접적으로 접촉"된 부분은 개재 부분이 존재하지 않음을 의미한다. 또한, 부분이 또 다른 부분 "상에" 있거나 그와 "접촉되는" 것으로 언급되는 경우, 이는 부분의 전체 부분 또는 일부를 덮을 수 있음을 이해하여야 한다. 일부 실시양태에서, 기체 투과성 층은 음극의 전기활성 복합체 층과 접촉된다 (예를 들어, 그와 직접적으로 접촉되거나 간접적으로 접촉됨).

기체 스트림은 기체 투과성 층을 통해 확산되어 전기활성 복합체 층과 접촉될 수 있다. 기체 투과성 층은 전도성 고체 물질을 포함하고 전지 내의 집전체로서 작용할 수 있다.

기체 투과성 층은 다공성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 기체 투과성 층은, 예를 들어, 60% 이상, 70% 이상, 75% 이상, 80% 이상, 또는 그 초과의 다공도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 기체 투과성 층은 85% 이하, 90% 이하, 또는 그 초과 값 이하의 다공도를 갖는다. 이들 범위의 조합도 가능하다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 음극의 기체 투과성 층은 60% 이상 및 90% 이하의 다공도를 갖는다. 다른 다공도 또한 가능하다. 기체 투과성 층에 적합한 물질의 예는, 제한 없이, 탄소 페이퍼 (처리된, 테플론(TEFLON)-처리된, 또는 미처리된), 탄소 클로스, 및 부직 탄소 매트를 포함한다. 다른 물질이 사용될 수도 있다.

일부 실시양태에서 전기화학 전지는 단일 음극을 포함하지만, 다른 실시양태에서 전기화학 전지는 하나 초과의 음극을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 음극은 제1 음극이고, 전기화학 전지는 제2 음극을 포함한다. 양극은 제1 음극과 제2 음극 사이에 있을 수 있다. 제2 음극은 또한 제1 전기활성 화학종을 포함할 수 있다. 제2 음극은 제1 음극과 구성 및 조성이 동일할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 1개 이상의 음극, 2개 이상의 음극, 3개 이상의 음극, 5개 이상의 음극, 10개 이상의 음극, 및/또는 최대 15개의 음극, 최대 20개의 음극, 최대 50개의 음극, 또는 그 초과를 포함한다.

일부 실시양태에서 전기화학 전지는 단일 세퍼레이터 (예를 들어, 음극과 양극 사이의)를 포함하지만, 다른 실시양태에서 전기화학 전지는 하나 초과의 세퍼레이터를 포함한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 세퍼레이터는 제1 세퍼레이터이고, 전기화학 전지는 제2 세퍼레이터를 포함한다. 제2 음극이 존재하는 일부 실시양태에서, 제2 세퍼레이터는 양극과 제2 음극 사이에 있을 수 있다. 제2 세퍼레이터는 제1 세퍼레이터와 구성 및 조성이 동일할 수 있다. 특정 경우에, 제2 세퍼레이터는 전도성 액체를 포함할 수 있다 (예를 들어, 이것으로 포화될 수 있음). 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 1개 이상의 세퍼레이터, 2개 이상의 세퍼레이터, 3개 이상의 세퍼레이터, 5개 이상의 세퍼레이터, 10개 이상의 세퍼레이터, 및/또는 최대 15개의 세퍼레이터, 최대 20개의 세퍼레이터, 최대 50개의 세퍼레이터, 또는 그 초과를 포함한다. 일부 경우에, 세퍼레이터 각각은 각각의 음극과 양극 사이에 있다.

양극이 양측에 음극 (예를 들어, 제1 음극 및 제2 음극)을 갖는 전기화학 전지의 일부 실시양태에서, 양극은 음극 각각을 향하는 제2 전기활성 화학종을 포함한다. 일부 이러한 실시양태에서, 양극은 각각이 음극 중 하나를 향하는 2개의 상보적 전기활성 복합체 층을 포함한다.

양극은 전기활성 복합체 층 또는 층들에 근접하여 또는 그 사이에 배치된 기판 층을 추가로 포함할 수 있다. 기판 층은 전기활성 복합체 층 또는 층들과 직접적으로 또는 간접적으로 접촉될 수 있다. 양극의 기판 층은 음극 (존재하는 경우)의 기판 층의 것과 동일한 또는 상이한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판 층은 탄소 페이퍼 (처리된, 테플론-처리된, 또는 미처리된), 탄소 클로스, 또는 부직 탄소 매트 등의 물질을 포함할 수 있다. 기판은, 일부 실시양태에서, 예를 들어 탄소 나노튜브, 마이크로섬유, 나노섬유, 또는 이들의 조합을 포함하는 매트를 포함할 수 있다. 다른 물질 또한 가능하다. 양극의 기판 층은 전도성 물질을 포함하고 전지 내의 집전체로서 작용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 기판은 금속 및/또는 금속 합금을 포함한다. 예를 들어, 기판은 금속 및/또는 금속 합금 호일 (예를 들어, 200 마이크로미터 이하, 100 마이크로미터 이하, 10 마이크로미터 이하, 및/또는 1 마이크로미터만큼, 또는 그 미만의 비교적 작은 두께를 가짐)을 포함할 수 있다. 적합한 호일의 예는 알루미늄 호일, 티타늄 호일을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 특정한 예로서, 일부 실시양태에서, 양극은 제1 음극을 향하는 제1 상보적 전기활성 복합체 층과 제2 음극을 향하는 제2 상보적 전기활성 복합체 층 사이의 기판을 포함한다. 이와 관련하여, 양극의 전기활성 복합체 층은, 전기활성 복합체 층의 벌크로부터 멀리 연장되는 라인이 기판을 통과하지 않으면서 해당 전극과 교차할 수 있는 경우, 특정한 전극 (예를 들어, 음극)을 향할 수 있다. 물체 (예를 들어, 전기활성 복합체 층)는, 이것이 또 다른 물체와 접촉되는 경우, 또는 하나 이상의 중간 물질이 표면과 다른 물체 사이에 배치되는 경우, 또 다른 물체를 향할 수 있다. 예를 들어, 서로 마주보는 두 물체는 접촉할 수 있거나 이들 사이에 하나 이상의 중간 물질 (예를 들어, 세퍼레이터)을 포함할 수 있다.

도 2는, 반드시 모든 실시양태는 아닌, 일부 실시양태에 따른, 또한 상기에 기재된 구성요소 중 하나 이상을 갖는, 전기화학 전지의 예를 도시한다. 전기화학 전지(100)는 2개의 음극(110) 사이의 양극(120)을 포함한다. 세퍼레이터(130)는 양극 및 음극(120 및 110)을 분리한다. 음극(110) 각각은 전지(100)의 중심으로부터 멀리 배치되어 있는 임의적 기체 투과성 층(112), 및 양극(120)을 향하는 임의적 1차 전기활성 복합체 층(114)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 양극(120)은 기판 층(122) 및 그 위의 2개의 상보적 전기활성 복합체 층(124)을 포함한다. 전기화학 전지(100)의 상이한 구성요소는 본 개시내용 전반에 걸쳐 기재된 특정 특성을 가질 수 있고, 이는, 예를 들어, 상기에 기재된 전극 물질 (예를 들어, 전기활성 화학종)을 포함한다. 2개의 바깥쪽으로 향하는 음극(110)의 구성은, 예를 들어, 도 2에 나타낸 바와 같이, 일부 경우에, 기체에 노출되는 기체-흡착 면적을 두 배로 만드는 이점을 제공할 수 있다.

하나 이상의 실시양태에 따르면, 표적 기체는 친핵성 분자를 포함한다. 하나 이상의 실시양태에 따르면, 표적 기체는 비양성자성 산성 기체를 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시양태에 따라 표적 기체는, 전기활성 화학종이 그의 환원 상태에 있을 때 음극의 전기활성 화학종과 착물을 형성 (예를 들어, 환원 상태의 화학종에 대한 결합에 의해)할 수 있는 기체를 포함한다. 하나 이상의 실시양태에 따르면, 표적 기체는 이산화탄소 (CO₂)를 포함한다. 하나 이상의 실시양태에 따르면, 표적 기체는 이산화황 (SO₂)을 포함한다. 하나 이상의 실시양태에 따라 표적 기체는 보란 (BR₃)을 포함하며, 여기서 각각의 R은 동일하거나 상이할 수 있고 이는 적합한 치환체 (예를 들어, 수소, 각각 임의로 치환된 알킬, 아릴 등)이다. 일부 실시양태에서, 표적 기체는 하나의 화학종 (하나의 유형의 분자)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 표적 기체는 하나 초과의 화학종 (예를 들어, 제1 유형의 분자 및 제2의 상이한 유형의 분자)을 포함한다. 포집 및 방출이 일어나는 전위 윈도우는 그 실시양태의 특정한 표적 기체에 따라 달라질 수 있고, 따라서 표적 기체의 풍부화 및 스트리핑은 전기화학 전지에 걸쳐 적용되는 적절한 전위차의 적용에 의해 제어될 수 있다.

일부 실시양태에서, 전기화학 전지에 노출됨으로써 기체 혼합물로부터 적어도 부분적으로 분리될 기체 혼합물 (예를 들어, 입력 기체 혼합물)은 주변 공기 (예를 들어, 실외 공기 등의 주변 환경으로부터의 공기)이다. 주변 공기는 일반적으로 실외 등의 폐쇄되지 않은 장소에서 나타나는 공기를 지칭한다. 일부 이러한 경우에, 전기화학 전지는 직접적 공기 포집을 위해 사용된다. 본원에 기재된 시스템 및 방법은, 예비-농축된 표적 기체를 필요로 하지 않으면서, 주변 공기로부터 직접적으로 이산화탄소 등의 표적 기체를 제거하기 위한 (예를 들어, 온실 가스 수준 감소를 위해) 유용한 기술일 수 있다. 본 개시내용의 특정 측면은, 일부 경우에, 본원에 기재된 시스템 및 방법을 직접적 공기 포집을 위해 특히 유용하게 만들 수 있다 (예를 들어, 산소 등의 주변 공기의 주요 구성요소와의 반응에 대해서는 열역학적으로 불리하게 되면서 표적 기체와 결합하는 능력).

일부 실시양태에서, 기체 혼합물 중의 표적 기체의 농도는 비교적 낮다. 하나의 이러한 경우는 기체 혼합물이 주변 공기인 경우일 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지로의 노출 전의 기체 혼합물 중의 표적 기체의 농도는 500 ppm 이하, 450 ppm 이하, 400 ppm 이하, 350 ppm 이하, 300 ppm 이하, 200 ppm 이하, 또는 그 미만이다. 일부 실시양태에서, 기체 혼합물 중의 표적 기체의 농도는 100 ppm만큼, 50 ppm만큼, 10 ppm만큼, 또는 그 미만만큼 낮다. 이들 범위의 조합도 가능하다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 기체 혼합물 중의 표적 기체의 농도는 500 ppm 이하이면서 10 ppm만큼 낮다. 표적 기체가 이산화탄소인 일부 실시양태에서, 전기화학 전지로의 노출 전의 기체 혼합물 중의 이산화탄소의 농도는 500 ppm 이하, 450 ppm 이하, 350 ppm 이하, 또는 그 미만이다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지로의 노출 전의 기체 혼합물 중의 이산화탄소의 농도는 300 ppm 이상, 350 ppm 이상, 또는 그 초과이다. 이들 범위의 조합도 가능하다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 전기화학 전지로의 노출 전의 기체 혼합물 중의 이산화탄소의 농도는 300 ppm 이상 및 400 ppm 이하, 또는 300 ppm 이상 및 500 ppm 이하이다.

일부 실시양태에서, 전기화학 전지에 노출됨으로써 기체 혼합물로부터 적어도 부분적으로 분리될 기체 혼합물 (예를 들어, 입력 기체 혼합물)은 환기 공기이다. 환기 공기는 폐쇄된 또는 적어도 부분적으로 폐쇄된 장소 내의 공기일 수 있다 (예를 들어, 공기가 폐쇄된 장소에서 순환됨). 기체 혼합물 (예를 들어, 환기 공기)가 위치할 수 있는 장소의 예는 밀폐 건물, 부분적으로 환기되는 장소, 자동차 캐빈, 유인 잠수정, 항공기 등을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.

환기 공기 중의 표적 기체의 농도는 주변 공기보다 더 높지만 산업적 공정에 있어 전형적인 농도보다 더 낮을 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지로의 노출 전의 기체 혼합물 중의 표적 기체의 농도는 5,000 ppm 이하, 4,000 ppm 이하, 2,000 ppm 이하, 1,000 ppm 이하, 또는 그 미만이다. 일부 실시양태에서, 기체 혼합물 (예를 들어, 이것이 환기 공기/폐쇄 공간 내의 공기인 경우) 중의 표적 기체의 농도는 1,000 ppm만큼, 800 ppm만큼, 500 ppm만큼, 200 ppm만큼, 100 ppm만큼, 10 ppm만큼, 또는 그 미만만큼 낮다. 이들 범위의 조합도 가능하다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 기체 혼합물 중의 표적 기체의 농도는 5,000 ppm 이하이면서 500 ppm만큼 낮다. 표적 기체가 이산화탄소인 일부 실시양태에서, 전기화학 전지로의 노출 전의 기체 혼합물 중의 이산화탄소의 농도는 5,000 ppm 이하, 4,000 ppm 이하, 2,000 ppm 이하, 1000 ppm 이하, 500 ppm 이하, 또는 그 미만이다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지로의 노출 전의 기체 혼합물 중의 이산화탄소의 농도는 10 ppm 이상, 100 ppm 이상, 300 ppm 이상, 500 ppm 이상, 1,000 ppm 이상, 2,000 ppm 이상, 또는 그 초과이다. 이들 범위의 조합도 가능하다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 전기화학 전지로의 노출 전의 기체 혼합물 중의 이산화탄소의 농도는 500 ppm 이상 및 5,000 ppm 이하, 또는 10 ppm 이상 및 5,000 ppm 이하이다.

일부 실시양태에서, 기체 혼합물은 산소 기체 (O₂)를 포함한다. 일부 이러한 실시양태는 기체 혼합물이 주변 공기 또는 환기 공기, 또는 심지어 고순도 산소 기체 혼합물을 포함하는 경우를 포함한다. 반드시 모든 실시양태는 아닌, 일부 실시양태에서, 기체 혼합물은 비교적 높은 농도의 산소 기체를 갖는다 (예를 들어, 전기화학 전지로의 노출 전의). 본원에 기재된 시스템 및 방법의 특정 측면 (예를 들어, 특정한 전기활성 화학종, 시스템에서의 기체 취급 방법 등의 선택)은 해로운 간섭 없이 산소 기체가 존재하는 기체 혼합물 중의 표적 기체를 포집하는 능력에 기여할 수 있다. 일부 실시양태에서, 산소 기체는 기체 혼합물 중에 (예를 들어, 전기화학 전지로의 노출 전의) 0 vol% 이상, 0.1 vol% 이상, 1 vol% 이상, 2 vol% 이상, 5 vol% 이상, 10 vol% 이상, 20 vol% 이상, 50 vol% 이상, 75 vol% 이상, 90 vol% 이상, 95 vol% 이상, 99 vol% 이상, 99.9 vol% 이상, 99.99 vol% 이상, 또는 그 초과의 농도로 존재한다. 일부 실시양태에서, 산소 기체는 기체 혼합물 중에 실질적으로 100 vol% 이하, 99.9999 vol% 이하, 99.999 vol% 이하, 99.99 vol% 이하, 99.9 vol% 이하, 99.9 vol% 이하, 99.9 vol% 이하, 99 vol% 이하, 95 vol% 이하, 90 vol% 이하, 75 vol% 이하, 50 vol% 이하, 25 vol% 이하, 21 vol% 이하, 10 vol% 이하, 5 vol% 이하, 2 vol% 이하, 또는 그 미만의 농도로 존재한다. 이들 범위의 조합도 가능하다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 산소 기체는 기체 혼합물 중에 0 vol% 이상 및 실질적으로 100 vol% 이하 (예를 들어, 특수화된 고 O₂ 연소 공정에서), 0 vol% 이상 및 50 vol% 이하, 0 vol% 이상 및 21 vol% 이하 (예를 들어, 불완전 연소 공정에서), 및 10 vol% 이상 및 25 vol% 이하 (예를 들어, 환기 공기 또는 직접적 공기 포집 공정에서)의 농도로 존재한다.

일부 실시양태에서, 적어도 부분적 기체 분리를 겪는 기체 혼합물은 수증기를 포함한다. 기체 혼합물은, 예를 들어, 이것이 주변 공기 또는 환기 공기이거나 그를 포함하기 때문에, 수증기를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 기체 혼합물 (예를 들어, 전기화학 전지로의 노출 전의)은 비교적 높은 상대 습도를 갖는다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 기체 혼합물은 -50℃ 내지 100℃ 범위의 적어도 하나의 온도에서 0% 이상, 5% 이상, 10% 이상, 25% 이상, 50% 이상, 75% 이상, 90% 이상, 또는 그 초과의 상대 습도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 기체 혼합물은 -50℃ 내지 100℃ 범위의 적어도 하나의 온도에서 100% 이하, 95% 이하, 90% 이하, 75% 이하, 50% 이하, 25% 이하, 10% 이하, 또는 그 미만의 상대 습도를 갖는다.

전기화학 전지에 노출됨으로써 적어도 부분적 분리를 겪는 기체 혼합물 (예를 들어, 입력 기체 혼합물)은 전기화학 전지에 노출 시 임의의 다양한 압력을 가질 수 있다. 예를 들어, 기체 혼합물은 0.1 bar 이상, 0.2 bar 이상, 0.5 bar 이상, 1 bar 이상, 2 bar 이상, 및/또는 최대 5 bar, 최대 8 bar, 최대 10 bar, 또는 그 초과의 전체 압력 (예를 들어, 기체 분리 시스템 내)을 가질 수 있다. 기체 혼합물은 상기에 기재된 임의의 농도 범위에서 표적 기체 및 산소를 포함하면서 임의의 이들 압력 값을 가질 수 있다.

하나 이상의 실시양태에 따르면, 일반적으로 본원에 기재된 전기화학 전지는 기체 혼합물을 적어도 부분적으로 분리하도록 작업될 수 있다. 일부 실시양태에서, 기체 혼합물은 기체 스트림이다. 일부 실시양태에서, 기체 혼합물은 환기 구조 내의 공기이지만, 특정 경우에는, 공기가 주변 공기 (예를 들어, 직접적 공기 포집 실시양태에서)이다. 그러나, 기체 혼합물은 이러한 실시양태로 제한되지 않는다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 기체 혼합물은 산업적 공정으로부터의 기체 (예를 들어, 연도 가스)이다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 기체 혼합물을 수반하는 기체 분리 공정을 수행하도록 작업될 수 있다. 예를 들어 전기화학 전지는 기체 혼합물로부터 표적 기체의 부분을 제거하도록 작업될 수 있다. 일부 이러한 경우에, 전기화학 전지의 작업은 기체 혼합물을 전기화학 전지에 노출시키는 것을 수반한다. 기체 혼합물은, 표적 기체가 제1 전기활성 화학종에 결합하여 원래 전기화학 전지에 노출된 기체 혼합물 (때때로 "입력 기체 혼합물"로서 언급됨)보다 더 적은 양의 표적 기체를 갖는 처리된 기체 혼합물을 생성하도록 전기화학 전지에 노출될 수 있다.

기체 혼합물로부터 표적 기체를 적어도 부분적으로 분리하는 공정은 전기화학 전지에 걸쳐 전위차를 적용하는 것을 포함할 수 있다. 통상의 기술자는, 본 개시내용의 이익으로, 전기화학 전지에 걸쳐 전위를 적용하는 방법을 이해한다. 전위를 적용하는 하나의 방식은 음극 및 양극을 분극화할 수 있는 적합한 전원에 음극 및 양극을 연결하는 것에 의한 것이다. 일부 실시양태에서, 전력 공급은 시스템에 대한 DC 전압이다. 비-제한적 예는 배터리, 전력 그리드, 재생 전원 공급장치 (예를 들어, 풍력 발전기, 광전지, 조력 에너지 발전기), 발전기 등을 포함한다. 전원은 하나 이상의 이러한 전원 공급장치 (예를 들어, 배터리 및 광전지)를 포함할 수 있다.

일부 실시양태에서, 공정은 전기화학 전지를 기체 혼합물에 노출시키는 것을 추가로 포함한다. 전위차는 기체 혼합물이 전기화학 전지에 노출되는 시간의 적어도 일부 동안 적용될 수 있다. 그러나, 일부 실시양태는 기체 혼합물을 전기화학 전지에 노출시키기 전에 전위차를 적용하는 것을 포함한다. 다시 말해서, 일부 실시양태에서, 기체 압력을 전기화학 전지에 노출시키는 단계는 전기화학 전지에 걸친 전위차의 적용 단계 동안 및/또는 전기 전지에 걸친 전위차의 적용 후에 일어난다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지에 대한 기체 혼합물의 노출은, 표적 기체 (예를 들어, CO₂)를 포함하는 기체 스트림을 전기화학 전지에 도입하여 표적 기체를 제1 전기활성 화학종에 결합시켜 처리된 기체 혼합물 (예를 들어, 처리된 기체 스트림)을 생성하는 것을 포함한다.

일부 실시양태에 따르면, 충전 모드 동안, 전기화학 전지에 대한 양 전압의 적용은 전기활성 화학종이 환원되는 음극에서 산화환원 반쪽 반응을 야기한다. 본원에서 논의되는 바와 같이, 음극의 전기활성 화학종은, 이것이 산화 상태일 때보다 이것이 환원 상태일 때 표적 기체 (예를 들어, CO₂)에 대하여 더 높은 친화도를 갖는 특성에 대해 선택된다. 전기활성 화학종을 환원시키고 음극의 면에 걸쳐 기체 혼합물 (예를 들어, 환기 공기, 주변 공기, 산업 기체 스트림)을 통과시킴으로써, 표적 기체 (예를 들어, CO₂)가 전기활성 화학종에 결합할 수 있다. 이러한 방식으로, 표적 기체가 기체 혼합물로부터 제거되어 처리된 기체 혼합물 (예를 들어, 기체 혼합물보다 더 적은 양의 표적 기체를 포함함)을 제공할 수 있다.

비-제한적 예로, 음극의 전기활성 화학종이 임의로 치환된 퀴논인 일부 실시양태에서, 전기활성 활성 화학종은 하기 반응 (1)에 따라 그의 환원 상태 중 적어도 하나로 환원될 수 있다:

다시 비-제한적 예로, 전기활성 활성 화학종이 이산화탄소를 포함하는 표적 기체의 존재 하에 환원되는 일부 실시양태에서는, 하기 반응 (2)이 일아난다:

일부 실시양태에 따르면, 제1 전기활성 화학종 (예를 들어, 임의로 치환된 퀴논)은 음극에서 환원되면서, 제2 전기활성 화학종 (예를 들어, 산화환원-활성 중합체, 예컨대 폴리비닐 페로센)은 양극에서 산화된다. 충전 모드 동안, 제2 전기활성 화학종의 산화는 제1 전기활성 화학종의 환원을 구동하기 위한 전자의 공급원을 제공한다.

다시 비-제한적 예로, 양극의 전기활성 화학종이 폴리비닐 페로센을 포함하는 일부 실시양태에서, 이 제2 전기활성 화학종은 하기 반응 (3)에 따라 산화될 수 있다:

반응 (1)-(3) 각각은 하나의 방향으로 일어나는 것으로 나타나 있지만, 일부 가역성이 나타날 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 유사한 반응이 상이한 화학종의 사용으로 일어날 수 있다.

일부 실시양태에서, 제2 전기활성 화학종은 층간삽입 화합물을 포함한다. 예를 들어, 제2 전기활성은 금속 이온 층간삽입 화합물을 포함할 수 있다. 층간삽입 화합물의 하나의 예시적 부류는 금속 산화물을 포함한다. 층간삽입 화합물은 알칼리 금속 이온, 예컨대 리튬 이온 및/또는 나트륨 이온의 층간삽입 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 층간삽입 화합물은 알칼리 금속 이온 전이 금속 산화물 (예를 들어, 리튬 코발트 산화물, 리튬 망가니즈 산화물, 리튬 니켈 산화물, 및/또는 코발트, 망가니즈, 및/또는 니켈을 포함하는 리튬 산화물)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 층간삽입 화합물은 리튬 전이 금속 포스페이트 등의 알칼리 금속 전이 금속 폴리옥시음이온을 포함한다. 양극에 적합한 리튬 전이 금속 포스페이트의 일례는 리튬 철 포스페이트 (LiFePO₄)이다. 일부 실시양태에서, 충전 모드 동안, 알칼리 금속 이온 층간삽입 화합물 (예를 들어, LiFePO₄) 형태의 제2 전기활성 화학종의 산화는, 전해질 (예를 들어, 존재하는 경우 세퍼레이터 상의 또는 그 안의)을 통해 음극을 향해 왕복운동하여 전하 균형을 유지하고 전기화학 회로를 완성할 수 있는 알칼리 금속 이온 (예를 들어, 리튬 이온)을 동시에 방출시키면서, 제1 전기활성 화학종의 환원을 구동하기 위한 전자의 공급원을 제공한다. 역으로, 방전 모드 동안, 알칼리 금속 이온 층간삽입 화합물 형태의 제2 전기활성 화학종의 환원은 제1 전기활성 화학종의 산화로부터의 전자에 대한 싱크를 제공하면서, 동시에 알칼리 금속 이온 (예를 들어, 리튬 이온)이, 음극에 근접한 영역으로부터, 전해질 (예를 들어, 존재하는 경우 세퍼레이터 상의 또는 그 안의)을 통해, 또한 양극을 향해 왕복운동할 수 있고, 여기서 이는 층간삽입 화합물 내로 층간삽입되고 전하 균형을 유지할 수 있다.

하나 이상의 실시양태에 따르면, 양극 및 음극에 걸친 전위차의 적용에 의한 전기화학 전지의 충전 시, 전자가 양극 상의 제2 전기활성 화학종 (예를 들어, pVFc-CNT 복합체에서의 페로센 (Fc) 단위)의 부분으로부터 유동하고, 따라서 제2 전기활성 화학종을 산화시키고 (예를 들어, 페로센을 페로세늄 (Fc⁺)으로 산화시킴으로써 (반응 (3)에 나타낸 바와 같음)), 외부 회로를 통해, 음극으로 유동한다. 음극에서는, 제1 전기활성 화학종 (예를 들어, CNT 복합체에서 임의로 치환된 퀴논 단위)이, 음극 내로 확산되는 표적 기체 (예를 들어, CO₂)의 존재 하에 환원된다 (예를 들어, 임의로 치환된 퀴논의 세미퀴논 또는 이가음이온 형태로). 환원 상태의 전기활성 화학종 (예를 들어, 임의로 치환된 퀴논의 이가음이온)은, 등식 (2)에 나타낸 바와 같이, 공유 결합을 통해 CO₂에 쉽게 결합하여, 착물을 형성한다.

충전 모드 동안, 전기화학 전지에 걸쳐 적용된 전위차는, 특정한 전압을 가질 수 있다. 전기화학 전지에 걸쳐 적용된 전위차는, 예를 들어, 제1 전기활성 화학종의 적어도 하나의 환원 상태의 생성을 위한 표준 환원 전위, 뿐만 아니라 존재하는 경우 제2 전기활성 화학종의 환원 상태와 산화 상태 사이의 상호전환을 위한 표준 환원 전위에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시양태에서, 전위차는 적어도 0 V, 적어도 0.1 V, 적어도 0.2 V, 적어도 0.5 V, 적어도 0.8 V 적어도 1.0 V, 적어도 1.5 V, 또는 그 초과이다. 일부 실시양태에서, 전위차는 2.0 V 이하, 1.5 V 이하, 1.0 V 이하, 0.5 V 이하, 또는 그 미만이다. 이들 전압의 조합 또한 가능하다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 전기화학 전지에 걸쳐 적용된 전위차는 적어도 0.5 V 및 2.0 V 이하이다. 다른 값 또한 가능하다.

도 3a는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 충전 모드로 작업되는, 예시적 전기화학 전지(100a)의 분해도를 나타낸다. 전기화학 전지(100a)의 구성요소는, 도 2와 관련하여 본원에 기재된 전기화학 전지(100)과 관련하여 기재된 것들과 같을 수 있다. 도 3a에 나타낸 바와 같이, 특정 실시양태에 따르면, 전기화학 전지(100a)에 걸쳐 전위차를 적용하기 위해 전원(140a) 및 배선(150a)이 사용된다. 이는, 특정 실시양태에 따르면, 음극(110a) 각각의 1차 전기활성 복합체 층(114a)으로 전자를 지향시키는 외부 회로(150a)에서의 전자 유동(160a)을 야기한다. 일부 실시양태에서, 산화환원 반쪽-전지 반응이 전기활성 복합체 층(114a)에서 일어나 층(114a) 내에 고정화된 제1 전기활성 화학종을 환원시킨다. 특정 실시양태에 따르면, 그의 환원 상태에서, 전기활성 화학종은 기체 혼합물 중의 표적 기체 (나타내지 않음)를 향한 증가된 친화도를 나타낸다. 기체 스트림의 표적 기체는 음극의 기체 투과성 층(112a)을 투과하여 복합체 층(114a)의 환원된 물질에 결합할 수 있다.

일부 실시양태에서는, 본원에 기재된 공정 동안 기체 혼합물로부터 비교적 다량의 표적 기체가 제거된다. 비교적 다량의 표적 기체의 제거는, 일부 경우에, 환경적 이유로 대기 중으로 방출되는 경우 해로울 수 있는 기체의 포집과 같은 임의의 다양한 응용을 위해 유익할 수 있다. 일례로서, 일부 실시양태에서, 표적 기체는 이산화탄소를 포함하고, 기체 혼합물로부터의 비교적 다량의 이산화탄소의 제거는 공정 (예를 들어, 산업적 공정 또는 수송 공정)의 온실 가스 영향을 제한하기 위해 또는 심지어 실내 또는 대기 중의 이산화탄소의 양을 감소시키기 위해 (난방 및 냉방 공정에 대한 열역학적 이유로 또는 환경적 이유로) 유익할 수 있다.

일부 실시양태에서 처리된 기체 혼합물 (예를 들어, 전기화학 전지에 노출 시 소정량의 표적 기체가 제거된 기체 혼합물) 중의 표적 기체의 양은 처리 전의 원래의 기체 혼합물 중의 표적 기체의 양 (예를 들어, 전기화학 전지로의 노출 전의 기체 혼합물 중의 표적의 양)의 50% 이하, 25%, 10% 이하, 5% 이하, 2% 이하, 1% 이하, 0.5% 이하, 0.1% 이하 또는 그 미만 (부피 퍼센트로)이다. 일부 실시양태에서, 처리된 기체 혼합물 중의 표적 기체의 양은 처리 전의 원래의 기체 혼합물 중의 표적 기체의 양의 0.001% 이상, 0.005% 초과, 0.01% 이상, 0.05% 이상, 0.1% 이상, 0.5% 이상, 1% 이상, 2% 이상, 5% 이상, 또는 그 초과 (부피 퍼센트로)이다.

일부 실시양태에서 처리된 기체 혼합물 (예를 들어, 전기화학 전지에 노출 시 소정량의 표적 기체가 제거된 기체 혼합물) 중의 표적 기체의 양은 분리 전의 원래의 기체 혼합물 중의 표적 기체의 양의 50% 이하, 25%, 10% 이하, 5% 이하, 2% 이하, 1% 이하, 0.5% 이하, 0.1% 이하 또는 그 미만 (몰 퍼센트로)이다. 일부 실시양태에서, 표적 기체 및 처리된 기체 혼합물의 양은 처리 전의 원래의 기체 혼합물 중의 표적 기체의 0.001% 이상, 0.005% 이상, 0.01% 이상, 0.05% 이상, 0.1% 이상, 0.5% 이상, 1% 이상, 2% 이상, 5% 이상, 또는 그 초과 (몰 퍼센트로)이다.

일부 실시양태에서, 본원에 기재된 방법을 사용하여 기체 혼합물 중에 존재할 수 있는 임의의 산소 기체 (O₂)를 비교적 소량으로 제거하면서 기체 혼합물로부터 소정량의 표적 기체를 제거 (예를 들어, 전기화학 전지에 걸친 전위의 적용 동안 및/또는 후에)할 수 있다. 일부 이러한 경우에, 이는 산소 기체와의 반응이 기재된 시스템 및 방법의 성능에 해로울 수 있다 (예를 들어, 감소된 포집 효율, 전기화학 전지의 구성요소에 대한 손상 등)는 점에서 유익하다. 본원에 기재된 임의의 많은 특징은, 단독으로 또는 조합되어, 기체 혼합물 중에 존재할 수 있는 임의의 산소 기체를 비교적 소량으로 제거하면서 기체 혼합물로부터 소정량의 표적 기체를 제거하는 능력에 기여할 수 있다. 예를 들어, 해당 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 산소와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 환원 상태를 갖는 음극에서의 제1 전기활성 화학종의 사용은 산소 기체를 적게 이동시키거나 이동시키지 않기 위한 표적 기체의 비교적 다량의 제거를 가능하게 할 수 있다.

기체 혼합물로부터 산소 기체를 적게 제거하거나 제거하지 않으면서 표적 기체가 제거될 수 있는 하나의 비-제한적 방식은, 작업의 적어도 일부 동안 전기화학 전지에 걸쳐 특정 전위를 적용하는 것에 의한 것이다. 예를 들어, 표적 기체와 반응할 수 있는 적어도 하나의 환원 상태로 제1 전기활성 화학종을 환원시키기에 충분한 전기화학 전지에 걸친 전위 (예를 들어, 제1 전위)를 적용하는 것이 가능하지만, 전위는 화학종 (또는 전극 자체)이 산소와 반응 (예를 들어, 초산화물 이온 또는 과산화물 이가음이온을 형성함)할 수 있는 상태에 도달하기에는 불충분함이 본 개시내용의 맥락에서 발견되었다. 제1 전기활성 화학종의 신중한 선택은 이러한 전위가 적용되는 것을 가능하게 할 수 있는 반면, 종래의 특정 전기활성 화학종은 이러한 전위가 적용되는 것을 가능하게 하지 않을 수 있다. 전기화학 전지에 걸쳐 적용되는 전위는, 산소 기체와 초산화물 이온, 또는 초산화물 이온과 과산화물 이온의 상호전환을 위한 표준 환원 전위에 대하여 음극에서의 전극 전위가 양이 되는 (예를 들어, 10 mV 이상, 50 mV 이상, 100 mV 이상, 200 mV 이상, 5 mV 이상, 및/또는 최대 1 V 또는 그 초과만큼) 전위일 수 있다.

일부 실시양태에서는, 소정량의 표적 기체 (예를 들어, CO₂)가 전위차의 적용 동안 및/또는 후에 기체 혼합물로부터 제거되고, 기체 혼합물 중에 존재하는 임의의 산소 기체의 0.1% 이하, 0.05% 이하, 0.001% 이하, 및 또는 0.0001%만큼, 0.00001%만큼, 또는 그 미만 (vol% 기준)이 기체 혼합물로부터 제거된다. 일부 실시양태에서는, 소정량의 표적 기체가 전위차의 적용 동안 및/또는 후에 기체 혼합물로부터 제거되고, 산소 기체가 기체 혼합물로부터 제거되지 않는다 (예를 들어, 표적 기체의 제거 동안). 기체 혼합물로부터의 산소 제거의 이들 범위는 산소 기체가 기체 혼합물 중에 비교적 다량 (예를 들어, 0 vol% 이상, 1 vol% 이상, 5 vol% 이상, 10 vol% 이상, 21 vol% 이상, 50 vol%, 및/또는 최대 75 vol%, 최대 90 vol%, 최대 99 vol%, 실질적으로 100 vol%, 또는 그 초과)으로 존재하는 경우에도 달성가능할 수 있다.

반드시 모든 실시양태는 아닌, 일부 실시양태에서, 산소가 기체 혼합물 중에 존재하는 경우, 소정량의 표적 기체가 기체 혼합물로부터 제거되는 (예를 들어, 전기화학 전위의 적용 동안 및/또는 후에) 시간의 적어도 일부 동안 소정량의 산소 기체가 기체 혼합물로부터 제거된다. 일부 이러한 실시양태에서, 제거된 산소 기체의 양에 대한 제거된 표적 기체의 양의 비율은 비교적 높은 것 이상이다. 전극에 걸친 전위의 적용 동안 및/또는 후에 형성된 적어도 하나의 환원 상태의 전기활성 화학종과 표적 기체 (예를 들어, CO₂) 사이의 반응이 화학종과 산소 기체의 경우에 비해 열역학적으로 더 유리한 경우에 상기 비율이 비교적 높을 수 있다. 일부 실시양태에서, 제거된 표적 기체의 양 대 제거된 산소 기체의 양의 비율은 10:1 이상, 100:1 이상, 1,000:1 이상, 10,000:1 이상, 및/또는 최대 100,000:1, 최대 1,000,000, 최대 10,000,000:1, 최대 100,000:1, 최대 1,000,000,000:1, 또는 그 초과이다.

일부 실시양태에서, 양극 (예를 들어, 도 3a에서 양극(120a))은 충전 모드에서의 작업 동안 전자의 공급원의 역할을 한다. 도 3a에서, 특정 실시양태에 따르면, 상응하는 산화환원 반쪽-전지 반응이 양극(120a)의 상보적 전기활성 복합체 층(124a)에서 일어나 그의 전기활성 화학종을 산화시킨다. 산화 반응은 상보적 전기활성 화학종 (예를 들어, 폴리비닐페로센)으로부터 전자를 방출시킬 수 있다. 이어서, 특정 실시양태에 따르면, 이들 전자 반응 생성물은 기판 층(122a) 및/또는 외부 배선(150a)을 통해 이동하여 회로를 완성할 수 있다. 특정 실시양태에 따르면, 세퍼레이터(130a)는 양극 및 음극(120a 및 110a)을 분리한다.

하나 이상의 실시양태에 따르면, 전기화학 전지의 작업은 전기화학 전지에 걸쳐 제2 전위차를 적용하여 제1 전기활성 화학종에 결합된 표적 기체를 방출시키는 것을 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 표적 기체의 방출은 전기화학 전지에 노출된 원래의 기체 혼합물보다 더 높은 농도의 표적 기체를 갖는 생성물 또는 처리된 기체 혼합물 (예를 들어, 표적 기체-풍부 기체 혼합물, 예컨대 표적 기체-풍부 기체 스트림)을 생성한다. 일부 실시양태에 따르면, 표적 기체가 음극의 제1 전기활성 화학종에 결합하는 기간 동안 충전 모드로의 전기화학 전지의 작업 후, 작업은 방전 모드로 전환될 수 있다. 방전 모드로의 작업 동안, 적용된 전압이 전환되어 충전 모드 동안의 것과 반대 방향으로 전자 유동을 제공한다. 방전 모드로의 작업 동안, 음의 전압이 전기화학 전지에 걸쳐 적용될 수 있다. 방전 모드에서는, 음극의 제1 전기활성 화학종이 산화되는 음극에서 산화환원 반쪽이 일어난다. 방전 모드로의 작업 동안, 표적 기체가 음극에서 결합되어 있던 전기활성 화학종으로부터 방출될 수 있다.

음극의 전기활성 화학종이 임의로 치환된 퀴논인 일부 실시양태에 따르면, 전기활성 활성 화학종은, 하기 반응 (4)에 따라, 방전 모드 동안 산화된다:

전기활성 활성 화학종이 이산화탄소를 포함하는 표적 기체에 결합된 후 산화되는 일부 실시양태에 따르면, 하기 반응 (5)이 일어날 수 있다:

일부 실시양태에 따르면, 제1 전기활성 화학종 (예를 들어, 임의로 치환된 퀴논을 포함함)은 음극에서 산화되며, 제2 전기활성 화학종 (예를 들어, 폴리비닐 페로센)은 양극으로서 환원된다. 방전 모드 동안, 제2 전기활성 화학종의 환원은 전자 싱크의 역할을 한다.

양극의 전기활성 화학종이 폴리비닐 페로센을 포함하는 일부 실시양태에 따르면, 이 제2 전기활성 화학종은 하기 반응 (6)에 따라 환원된다:

반응 (4)-(6) 각각은 하나의 방향으로 일어나는 것으로 나타나 있지만, 일부 가역성이 나타날 수 있다. 본 개시내용의 이익으로 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 유사한 반응이 상이한 화학종의 사용으로 일어날 수 있다.

일부 이러한 실시양태에 따르면, 충전 공정에 비해 역 방향으로 전자의 유동을 가능하게 하도록 외부 회로의 분극이 변경되는 경우, 음극의 전기활성 화학종은 전기화학 전지를 방전시킴으로써 산화된다. 특정 실시양태에 따르면, 임의로 치환된 퀴논과 CO₂ 분자 사이에 형성된 공유 결합이 파괴되어 (반응 (5)에 나타낸 바와 같이), CO₂ 기체를 음극으로부터 확산되도록 방출시키고, 전자는 양극으로 유동하여, Fc⁺ 단위를 Fc로 환원시킨다 (반응 (6)에 나타낸 바와 같이). 일부 이러한 실시양태에 따르면, 폴리비닐 페로센은 임의로 치환된 퀴논의 환원을 위한 전자 공급원 또는 임의로 치환된 퀴논의 이산화탄소 부가물의 산화를 위한 전자 싱크의 역할을 할 수 있다.

방전 모드 동안 전기화학 전지에 걸친 전위차는 특정한 전압을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 전위차는 0 V 미만, -0.5 V 이하, -1.0 V 이하, 또는 -1.5 V 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 전위차는 적어도 -2.0 V, 적어도 -1.5 V, 적어도 -1.0 V 또는 적어도 -0.5 V일 수 있다. 이들 전압의 조합, 예를 들어, 적어도 -2.0 V 및 -0.5 V 이하 또한 가능하다. 다른 값 또한 가능하다.

도 3b는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 방전 모드로 작업되는, 예시적 전기화학 전지(100b)의 분해도를 나타낸다. 특정 실시양태에 따르면, 전기화학 전지(100b)의 구성요소는 도 3a의 전지(100a)의 것들과 동일하다. 그러나, 특정 실시양태에 따르면, 전원(140b)에 의해 적용된 전압은, 도 3a에서 전자 유동(160a)의 방향에 대하여 외부 배선(150b)을 통한 전자 유동(160b)의 방향을 역전시키는 전위차를 생성하도록 변경되었다. 방전 모드에서는, 일부 실시양태에 따르면, 음극(110b)의 전기활성 복합체 층(114b)에서 산화환원 반쪽-전지 반응이 일어나 층(114b) 내에 고정화된 제1 전기활성 화학종을 산화시킨다. 일부 실시양태에서, 그의 산화 상태에서, 제1 전기활성 화학종은 표적 기체를 향한 감소된 친화도를 나타내고, 이는 표적 기체가 전기활성 물질로부터 방출되도록 한다. 방출된 표적 기체는 기체 투과성 층(112b)을 통해 배출될 수 있고, 추가의 가공처리, 격리, 또는 다른 요망되는 목적지를 향해 지향될 수 있다. 한편, 일부 실시양태에서, 양극(120b)은 방전 모드에서 작업 동안 전자 싱크의 역할을 한다. 일부 실시양태에 따르면, 반쪽-전지 반응이 양극(120b)의 상보적 전기활성 복합체 층(124b)에서 일어나 제2 전기활성 화학종을 환원시킨다. 일부 실시양태에서는, 환원 반응 동안, 배선(150b) 및 기판 층(122b)을 통해 이동한 전자는 상보적 전기활성 화학종에 결합하여 완성된 회로를 가능하게 한다. 반드시 모든 실시양태는 아닌, 일부 실시양태에 따르면, 세퍼레이터(130b)는 양극 및 음극(120b 및 110b)을 분리한다.

하나 이상의 실시양태에 따르면, 본원에 기재된 바와 같은 하나 이상의 전기화학 전지는 기체 분리 시스템 중에 혼입될 수 있다. 기체 분리 시스템은, 기체 유입구 및 기체 유출구와 유체 소통하는, 본원에 기재된 임의의 실시양태에 따른, 복수의 전기화학 전지를 포함할 수 있다.

기체 분리 시스템은, 각각의 전기화학 전지의 음극 (또는 둘 다 존재하는 경우 제1 및 제2 음극) 및 양극을, 각각의 전기화학 전지의 음극(들) 및 양극에 걸쳐 전위차를 적용하도록 구성된 전원에 연결하는 외부 회로를 포함할 수 있다.

도 4는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 예시적 기체 분리 시스템(400)의 개략도를 나타낸다. 특정 실시양태에 따르면, 시스템(400)은 유입구(470) 및 유출구(480)를 갖는 하우징(460)을 포함한다. 전기화학 전지(405)가 하우징 내에 배치된다. 명확성을 위해 도 4에는 단지 하나의 전지(405)가 나타나 있지만, 복수의 전지(405)가 하우징(460) 내에 배치될 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 특정 실시양태에 따르면, 하우징(460)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있는 전원(440)이 전지(405)에 연결된다. 특정 실시양태에 따르면, 음극(들)(410)은 배선(450a)을 통해 전원(440)에 연결되며, 양극은 배선(450b)을 통해 연결된다. 본원의 다른 부분에 기재된 바와 같이, 충전 모드로 전지(들)를 작동시키기 위해 전압이 적용되는 동안, 적어도 부분적으로 분리되어야 하는 기체 혼합물 (예를 들어, 기체 스트림, 예컨대 환기 공기 또는 주변 공기)이 유입구(470)를 통해 전달된다. 일부 실시양태에서, 기체 혼합물은 시스템(400)에 의해 적어도 부분적으로 제거되도록 디자인된 표적 기체를 포함한다. 이어서, 기체 혼합물은, 전지(405)에 근접하여, 특히, 음극(들)(410)에 근접하여 통과한다. 일부 실시양태에서, 음극(410) 내의 적어도 하나의 환원 상태의 제1 전기활성 화학종은 표적 기체에 결합하여, 기체 혼합물로부터 그의 적어도 일부를 제거한다. 특정 실시양태에 따르면, 임의적 제2 음극(410), 제2 세퍼레이터(420), 및 상응하는 배선(450a)이 파선으로 나타나 있다. 도 4 및 다른 도에 나타낸 실시양태는 임의적 하우징을 포함하지만, 전기화학 전지는 다양한 환경에, 예를 들어, 도관 내에 인라인으로, 또는 하우징 없이 다른 방식으로 배치될 수 있음을 이해하여야 한다.

도 5a는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 충전 모드 동안 기체 분리 공정을 수행하는 예시적 시스템의 개략도를 나타낸다. 도 5a에서, 전기화학 전지 각각에 걸쳐 전위차가 적용되고, 그에 따라 각각이, 특정 실시양태에 따르면, 충전 모드로 작업된다. 충전 모드에서는, 특정 실시양태에 따르면, 음극(510) 내의 제1 전기활성 화학종의 산화환원 반응 (예를 들어, 환원)이 전기활성 화학종과 표적 기체(590) 사이의 친화도를 증가시킨다. 표적 기체(590)를 포함하는 기체 혼합물(575)이 시스템에 도입되고 음극(510)에 근접하여 통과한다. 특정 실시양태에 따르면, 증가된 친화도는 표적 기체 (예를 들어, CO₂)를 전기활성 물질에 결합시킨다. 이러한 방식으로, 표적 기체의 적어도 일부가 기체 혼합물(575)로부터 분리되어 처리된 기체 혼합물(585)을 생성한다.

일부 실시양태에서, 기체 분리 시스템은 복수의 전기화학 전지를 포함하고, 유동장이 복수의 전기화학 전지의 적어도 일부 (예를 들어, 일부 또는 전부) 사이에 있다. 예시적 예로서, 도 5b는, 하나 이상의 실시양태에 따른, 충전 모드 동안 기체 분리 공정을 수행하는, 전기화학 전지(500)를 분리하는 유동장(511)을 포함하는 예시적 시스템의 개략도를 나타낸다. 제1 물체가 제2 물체와 제3 물체 사이에 있는 경우, 이는 제1 물체와 제2 물체의 전체 사이에 또는 제1 물체와 제2 물체의 부분들 사이에 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 일부 실시양태에서, 2개의 이웃하는 전기화학 전지 사이의 유동장은, 개재 구조/층이 유동장과 전기화학 전지 사이에 있지 않도록 이웃하는 전기화학 전지 각각에 직접적으로 인접하여 있다. 그러나, 일부 실시양태에서, 2개의 이웃하는 전기화학 전지 사이의 유동장은, 하나 이상의 개재 구조/층, 예컨대 전기 전도성 고체가 존재하도록 간접적으로 하나 또는 두 전지에 인접하여 있다.

유동장은 일반적으로 유체가 유동할 수 있는 경로를 정의하도록 구성된 고체 구조를 지칭한다. 일부 경우에, 유동장은, 유체가 인접한 구조에 노출될 수 있게 하면서 유체 유동에 대한 기공 또는 채널을 정의하는 고체 물품을 포함한다. 유동장의 고체 물품에 적합한 물질은 중합체 물질 (예를 들어, 플라스틱), 금속/금속 합금, 흑연, 복합체 물질 (예를 들어, 흑연-중합체 복합체)을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 일부 실시양태에서, 유동장은 패턴화된 채널을 갖는 하나 이상의 표면을 포함하는 고체 물품을 포함한다. 채널 패턴은 유동장의 하나 이상의 치수에 걸쳐 유체 (예를 들어, 기체)를 효과적으로 분포시키도록 선택될 수 있다. 적합한 채널 패턴은 구불구불한, 평행한, 또한 상호맞물린 패턴을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 도 5c, 5d, 및 5e는, 특정 실시양태에 따른, 각각 화살표로 표시된 유체 유동 방향을 갖는, 구불구불한 패턴을 갖는 유동장(511a), 평행한 패턴을 갖는 유동장(511b), 및 상호맞물린 패턴을 갖는 유동장(511c)의 면의 측면 개략도를 나타낸다. 유동장 채널 패턴은, 예를 들어, 에칭, 컷팅, 스탬핑, 성형, 밀링, 또는 부가 제조를 통해 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 유동장은 다공성 고체를 포함한다. 예를 들어, 유동장은 탄소 섬유 페이퍼, 펠트, 또는 클로스, 또는 금속 포움을 포함할 수 있다.

도 5b에서, 유체 혼합물(575)로부터의 표적 기체(590)는 유동장(511)을 통해 (예를 들어, 나타내지 않은 채널을 통해) 전극(510)의 대향 영역을 따라 분포된다. 유동장은 전극에 걸쳐 비교적 균일하게 기체 혼합물을 분포시키는 것을 보조할 수 있고, 전극에 대한 기체의 노출의 지속기간을 제어하는 것 (예를 들어, 표적 기체의 효율적인 포집을 촉진시키기 위해)을 보조할 수 있음이 본 개시내용의 맥락에서 인식되었다. 기체의 비교적 균일한 분포는 표적 기체 결합을 위한 전극 면적 (예를 들어, 적어도 하나의 환원 상태의 전기활성 화학종을 포함함)의 보다 큰 백분율을 활용함으로써 효율을 증가시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 충전 공정의 적어도 일부 동안, 시스템 내의 음극의 대향 영역의 적어도 25%, 적어도 50%, 적어도 75%, 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 그 초과에 걸친 기체 혼합물의 플럭스는 충전 공정 동안 음극의 전체 대향 영역에 걸친 평균 플럭스의 50% 이내, 25% 이내, 15% 이내, 10% 이내, 5% 이내, 2% 이내, 1% 이내, 또는 그 미만 이내이다.

도 4에 나타낸 시스템(400)은 또한, 특정 실시양태에 따르면, 충전 모드에서의 유동 방향과 반대로 전자를 유동시키도록 전원(440)으로부터 적용된 전압을 변경킴으로써 방전 모드로 작업될 수 있다. 이러한 변경은, 음극(410)에서 상이한 산화환원 반응, 예를 들어, 음극의 제1 전기활성 화학종이 산화되는 반응이 일어나게 한다. 전기활성의 산화 상태의 이러한 변화는, 표적 기체가 전기활성 화학종으로부터 방출되어 원래의 기체 혼합물 (예를 들어, 입력 기체 혼합물)에 비해 더 많은 양의 표적 기체를 갖는 처리된 기체 혼합물이 생성되게 할 수 있다. 처리된 기체 혼합물은 유출구(480) 또는 대안적 유출구 (나타내지 않음)를 통해 배출될 수 있다.

반드시 모든 실시양태는 아닌, 일부 실시양태에서, 방전 모드의 작업은 표적 기체 물질이 방출되게 하기 때문에, 적어도 부분적 기체 분리를 겪어야 하는 기체 스트림을 유입구(470)를 통해 동시에 도입하는 것은 역효과를 일으킬 것이다. 따라서, 방전 모드로의 작업 동안, 유입구(470)가 폐쇄되거나 또는 상이한 스트림 (예를 들어, 폐기물 스트림)이 유입구로 재지향된다. 그러나, 특정 실시양태에서는, 방전 모드에서의 작업이 일어나는 동안에 적어도 부분적 기체 분리를 겪어야 하는 기체 혼합물의 제2 부분이 유입구(470)를 통해 도입된다.

반드시 모든 실시양태는 아닌, 일부 실시양태에 따르면, 기체 분리 시스템은 전기화학 전지의 제1 세트 및 전기화학 전지의 제2 세트를 포함한다. 제1 세트 및 제2 세트 각각은 본 개시내용 전반에 걸쳐 기재된 바와 같은 하나 이상의 전기화학 전지를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 세트는, 전지의 하나의 세트는 충전 모드로 작업되고 기체 혼합물로부터 표적 기체 (예를 들어, CO₂)를 포집하고 있으면서 전지의 또 다른 세트는 방전 모드로 작업되고 표적 기체 (예를 들어, CO₂)를 방출시키도록, 교호 방식으로 병렬로 진행되도록 만들어질 수 있다. 시스템은 전기화학 전지의 세트 각각에 대한 별도의 하우징을 포함할 수 있다. 시스템은 요망되는 방식으로 유동을 지향시키도록 배열된 도관 및 밸빙을 추가로 포함할 수 있다. 기체 분리 시스템은 기체 혼합물 (예를 들어, 기체 스트림)의 연속적 또는 반연속적 분리를 가능하게 할 수 있고, 여기서는 기체 혼합물이 주어진 순간에 충전/포집 모드로 작업되는 전지의 세트로 지향되면서, 별도의 표적 기체-풍부 처리된 혼합물이 방전/방출 모드로 작업되는 전지의 다른 세트에 의해 생성된다. 또한, 응용의 필요에 따라, 전기화학 전지의 추가의 세트가 병렬로 또는 직렬로 추가될 수 있다.

도 6은 이러한 기체 분리 시스템의 실시양태의 예를 나타낸다. 기체 분리 시스템(600)에서, 전기화학 전지의 제1 세트(605a)는 제1 하우징(660a) 내에 배치되고, 전기화학 전지의 제2 세트(605b)는 제2 하우징(660b) 내에 배치된다. 도관은 기체 유입구(670)를 하우징 유입구(672a 및 672b)에 연결한다. 충전 모드로 현재 작업되고 있는 것에 따라, 세트(605a 및 605b) 중 한쪽으로 유동을 지향시키도록 밸브(684)가 배열될 수 있다.

작업 시, 표적 기체 (예를 들어, CO₂)를 포함하는 기체 스트림은 유입구(670)를 통해 기체 분리 시스템(600)에 도입될 수 있다. 특정 실시양태에 따르면, 전지의 제1 세트(605a)가 충전/포집 모드로 작업되고 있을 때, 밸브(684)는 스트림을 전지의 제1 세트(605a)에 근접하여 도입하기 위해 지향하도록 배열될 수 있고, 여기서 표적 기체는 전지(605a) 내의 전기활성 화학종에 결합하여 처리된 기체 혼합물 (감소된 농도의 표적 기체를 갖는 것)을 생성할 수 있고, 이는 이어서 유출구(673a)를 통해 하우징(660a)에서 배출된다. 처리된 기체 스트림을 처리된 기체 유출구(680)를 통해 지향시키도록 하우징 유출구(673a)의 하류에 추가의 밸브(686a)가 배열될 수 있다.

전지의 제1 세트(605a)가 충전 모드로 작업되고 있는 동안, 전지의 제2 세트(605b)는 방전 모드로 작업될 수 있고, 여기서는 이전에 축적된 표적 기체가 전지의 제2 세트(605b)의 전기활성 물질로부터 방출된다. 나타낸 실시양태에서, 밸브(684)는 방전 모드로 작업되는 전지의 세트(605b)로부터 기체 혼합물을 단리하도록 배열된다. 전지의 세트(605b)로부터의 표적 기체의 방출은 표적 기체-풍부 기체 혼합물을 생성하고, 이는 이어서 유출구(673b)를 통해 하우징(660b)에서 배출된다. 처리된 스트림 유출구(680)로부터 표적 기체-풍부 기체 혼합물을 단리하도록, 또한 표적 기체-풍부 스트림을 대신에 폐기물 유출구(682b)로 지향시키도록 밸브(686b)가 배열될 수 있고, 여기서는 표적물 풍부 스트림이 추가의 가공처리, 저장 등을 겪을 수 있다.

일정 기간 동안 상기 방식으로 작업 후, 전지(605a 및 605b)의 모드가 역전될 수 있다. 이어서, 전지의 제1 세트(605b)는 그의 전극으로부터 축적된 표적 기체를 방출시키도록 방전 모드로 작업된다. 이 기간 동안, 밸브(684)는 전지의 제1 세트(605a)로부터 처리 스트림을 단리하도록 재배열된다. 이 기간 동안, 밸브(686a)는 표적-풍부 스트림을 폐기물 유출구(682a)를 향해 지향시키도록 재배열된다.

한편, 전지의 제2 세트(605b)의 작업은, 이들이 충전 모드로 작업되어 표적 기체를 포집하고 처리된 스트림을 생성하도록 역전된다. 유입구 밸브(684)는 시스템 유입구(670)로부터의 처리 기체 혼합물을 도관을 통해 제2 하우징 유입구(672b)를 경유하여 전지의 제2 세트(605b)로 지향시키도록 배열된다. 유출구 밸브(686b)는 처리된 기체 혼합물을 유출구(680)로 지향시키도록 재배열된다.

특정 실시양태에 따르면, 이러한 방식으로 전지의 상이한 세트(605a 및 605b)가, 함께, 표적 기체를 포함하는 기체 스트림의 연속적 또는 반연속적 분리를 제공하면서, 모드를 통해 순환될 수 있다. 도 6에 나타낸 특정한 실시양태는 시스템 구성요소 (예를 들어, 밸브, 도관, 유입구, 및 유출구)의 하나의 특정한 배열을 나타내지만, 격리된 처리된 스트림 및 표적 기체-풍부 스트림을 가지며 연속적 작업을 제공하는 목표를 여전히 충족시키도록 상이한 구성이 제공될 수 있음이 이해된다.

도 7a는, 하나 이상의 실시양태에 따르면, 전지의 제1 세트(705a)는 충전 모드로 작업되면서, 전지의 제2 세트(705b)는 방전 모드로 작업되는 기체 분리 공정을 수행하는, 도 6의 것과 유사한 예시적 시스템의 개략도를 나타낸다. 충전 모드에서, 적용된 전압은 제1 전기활성 화학종과 표적 기체(790) 사이의 친화도를 증가시키는 음극(710a)에서의 전기활성 화학종의 산화환원 반응 (예를 들어, 환원)을 유도한다. 표적 기체(590)를 포함하는 기체 스트림(575)은 전지의 세트(705a)로 도입되고 음극(510a)에 근접하여 통과한다. 증가된 친화도는 표적 기체 (예를 들어, CO₂)(790)가 전기활성 물질에 결합하게 한다. 이러한 방식으로 표적 기체의 적어도 일부가 기체 스트림(775)으로부터 제거되어 처리된 기체 스트림(785)을 생성한다.

특정 실시양태에 따르면, 방전 모드에서는, 제2 적용된 전압이, 충전 모드 동안의 것과 반대 방향으로 전자를 유동시켜, 전기활성 화학종과 표적 기체(790) 사이의 친화도를 감소시키는 음극(710b) 내의 제1 전기활성 화학종의 제2 산화환원 반응 (예를 들어, 산화)을 유도한다. 방출된 표적 기체(790)는 표적 기체-풍부 기체 혼합물(787)로 도입된다.

도 7b는, 도 7a에 대해 나타내고 기재된 작업 모드가 역전된 기체 분리 공정을 수행하는, 도 6의 것과 유사한 예시적 시스템의 개략도를 나타낸다. 도 7b에서는, 특정 실시양태에 따르면, 전지의 제1 세트(705a)에 걸쳐 적용된 전압이 변경되었고, 전지(705a)는 음극(710a)으로부터 저장된 표적 기체(790)를 방출시켜 표적 기체-풍부 기체 혼합물을 생성하도록 방전 모드로 작업된다. 한편, 전지의 제2 세트(705b)에 걸쳐 적용된 전압 또한 변경되었고, 이들을 충전 모드로 작업되게 한다. 처리 스트림(775)의 표적 기체(790)는 음극(710b)에 결합하여 처리된 스트림(785)을 생성한다.

상기에 언급된 바와 같이, 기체 분리 시스템은 전기적으로 병렬로 또는 직렬로 연결된 복수의 전기화학 전지를 포함할 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는, 본 개시내용의 이익으로, 일반적으로 전기화학 전지를 전기적으로 연결시켜 회로를 형성하는 방식을 이해한다. 이러한 연결은 전자가 전기화학 전지의 전극 사이에서 유동하도록 전기 전도성 경로를 확립함 (다시 말해서, 전극 사이의 전기적 커플링을 확립함)으로써 형성될 수 있다. 전기 전도성 경로는 일부 경우에 하나 이상의 전기 전도성 고체 물질 (예를 들어, 전도성 금속, 합금, 중합체, 복합체, 탄소질 물질, 또는 이들의 조합)을 통해 확립될 수 있다. 예를 들어, 전기 전도성 경로는 전기화학 전지의 전극 배선을 통해 확립될 수 있다. 전기화학 전지는 상기에 기재된 임의의 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 시스템 내의 전기화학 전지의 일부 또는 전부는 단일 음극 (예를 들어, 제1 전기활성 화학종을 포함함), 단일 양극 (예를 들어, 제2 전기활성 화학종을 포함함), 및 임의로 제1 양극과 제2 양극 사이의 세퍼레이터를 갖는다. 도 10a는, 특정 실시양태에 따르면, 각각의 전기화학 전지(1100)가, 순서대로, 음극(1010), 임의적 세퍼레이터(1020), 및 양극(1030)을 포함하는, 하나의 이러한 시스템(1000) 내의 전기화학 전지(1100)의 배열의 개략도를 나타낸다. 표적 기체를 포함하는 기체 혼합물(1075)은, 기체 혼합물(1075)이 제1 전기화학 전지(110)의 음극(1010) 및 이웃하는 제2 전기화학 전지(1100)의 양극(1030)에 근접하여 통과하도록, 시스템으로 도입될 수 있다. 도 10a는 3개의 전기화학 전지(1100)를 나타내지만, 필요한 특정한 응용의 요건에 따라, 임의의 다양한 적합한 수의 전기화학 전지 (예를 들어, 전기적으로 병렬로 또는 직렬로 연결됨)가 기체 분리 시스템에서 이용될 수 있음을 이해하여야 한다.

다른 실시양태에서, 기체 분리 시스템 내의 전기화학 전지의 일부 또는 전부는 양극 (예를 들어, 제2 전기활성 화학종을 포함함), 제1 음극 (예를 들어, 제1 전기활성 화학종을 포함함), 제2 음극 (예를 들어, 제1 전기활성 화학종을 포함함), 제1 음극과 양극 사이의 제1 세퍼레이터, 및 양극과 제2 음극 사이의 제2 세퍼레이터를 포함한다. 이러한 전기화학 전지의 예가 도 1b 및 도 2에 나타나 있다.

도 10b는, 특정 실시양태에 따르면, 시스템(1000) 내의 복수의 전기화학 전지(1100)가 전기적으로 병렬로 연결되어 있는 구성의 개략도를 나타낸다. 병렬 구성에서, 각각의 음극(1010)은 제1 단자 (예를 들어, 전원의 것)에 전기적으로 커플링되고, 각각의 양극(1030)은 제2 단자 (예를 들어, 전원의 것)에 전기적으로 커플링된다. 예를 들어, 도 10b에서, 특정 실시양태에 따르면, 각각의 음극(1010)은 배선(115)을 통해 전원의 제1 단자에 전기적으로 커플링되고, 각각의 양극(1030)은 배선(116)을 통해 전원의 제2 단자에 전기적으로 커플링된다.

도 10c는, 특정 실시양태에 따르면, 시스템(1000) 내의 복수의 전기화학 전지(11000)가 전기적으로 직렬로 연결되어 있는 구성의 개략도를 나타낸다. 직렬 구성에서, 제1 전기화학 전지의 양극은 시스템의 제2 전기화학 전지의 음극에 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 도 10b에서, 특정 실시양태에 따르면, 제1 전기화학 전지(1100a)의 음극(1010)은 배선(1017)을 통해 제2 전기화학 전지(1100b)의 양극(1030)에 전기적으로 연결되고, 제2 전기화학 전지(1100b)의 음극(1010)은 배선(1018)을 통해 제3 전기화학 전지(1100c)의 양극(1030)에 전기적으로 연결된다. 또한, 특정 실시양태에 따르면, 제1 전기화학 전지(1100a)의 양극(1030)은 배선(114)을 통해 전원의 제1 단자에 전기적으로 커플링되고, 제3 전기화학 전지(1100a)의 음극(1030)은 배선(119)을 통해 전원의 제2 단자에 전기적으로 커플링된다.

전기적으로 직렬로 연결된 복수의 전기화학 전지를 포함하는 기체 분리 시스템의 특정 구성은 비교적 효율적인 전하 수송 및/또는 기체 수송을 촉진시킬 수 있음이 본 개시내용의 맥락에서 결정되었다. 예를 들어, 일부 실시양태에서는, 외부 배선의 사용보다는 전기화학 전지 사이의 전기 전도성 물질이 전기 전도성 경로를 확립할 수 있다. 예를 들어, 기체 분리 시스템은 전기적으로 직렬로 연결된 제1 전기화학 전지 및 제2 전기화학 전지를 포함할 수 있고, 여기서 전기적 연결은 제1 전기화학 전지와 제2 전기화학 전지 사이의 하나 이상의 전기 전도성 물질을 통해 확립된다. 임의의 다양한 적합한 전기 전도성 물질이 전기화학 전지 사이에 배치되어, 예를 들어, 제1 전기화학 전지의 음극과 제2 전기화학 전지의 양극 사이의 전기적 연결을 확립할 수 있다. 예를 들어, 전기 전도성 물질은 전기 전도성 고체일 수 있다. 전기 전도성 고체는, 예를 들어, 금속 및/또는 금속 합금 (예를 들어, 강철, 은 금속/합금, 구리 금속/합금, 알루미늄 금속/합금, 티타늄 금속/합금, 니켈 금속/합금)을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기 전도성 고체는 탄소질 물질 (예를 들어, 흑연, 단일-벽 탄소 나노튜브, 다중-벽-탄소 나노튜브, 카본 블랙, 탄소 매트 (예를 들어, 탄소 나노튜브 매트), 케첸블랙, 카본 블랙 수퍼 P, 그래핀 등을 포함한다. 일부 실시양태에서, 탄소질 물질은 본원의 다른 부분에 기재된 바와 같은 다공성 탄소질 물질이다. 일부 실시양태에서, 전기 전도성 고체는 결합제 수지와 전기 전도성 고체의 복합체를 포함한다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지 사이의 전기 전도성 고체는 전기 전도성 중합체 물질을 포함한다.

반드시 모든 실시양태는 아닌, 일부 실시양태에서, 전기화학 전지 사이의 전기 전도성 물질은 바이폴라 플레이트를 포함한다. 본 개시내용의 맥락에서, 플레이트는 반드시 편평할 필요는 없음을 이해하여야 한다. 바이폴라 플레이트는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있고, 전형적으로 기체 분리 이외의 영역에서, 예컨대 연료 전지에서 사용된다. 바이폴라 플레이트는 음극에 접촉하는 유체로부터 양극에 접촉하는 유체 (예를 들어, 기체)를 분리하도록 구성될 수 있다. 바이폴라 플레이트는 전기 전도성 고체, 예컨대 강철, 티타늄, 또는 흑연을 포함할 수 있다.

일부 실시양태에서, 복수의 전기화학 전지 (예를 들어, 직렬로 연결됨)의 적어도 일부는 유동장에 의해 분리된다. 상기에 언급된 바와 같이, 유동장을 이웃하는 전기화학 전지 사이에 배치하는 것은 유익한 기체 분포 및 기체와 전극 사이의 비교적 효율적인 상호작용 (예를 들어, 결합을 위한)을 촉진시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기에 기재된 바와 같은 바이폴라 플레이트는 유동장을 포함하지만 (예를 들어, 플레이트의 한쪽 면 또는 양면에서 유체 경로의 에칭을 통해), 다른 실시양태에서는 상이한 유동장이 대안으로서 또는 유동장-함유 바이폴라 플레이트에 추가로 이용된다.

도 11은, 특정 실시양태에 따르면, 전지 사이에 하나 이상의 전기 전도성 물질을 통해 전기적으로 직렬로 연결된 전기화학 전지(1100)를 포함하는 예시적 기체 분리 시스템(1000)의 개략도를 나타낸다. 도 11에서, 시스템(1000)은 바이폴라 플레이트(1012) 및 립(1014) 형태의 전기 전도성 고체 물질을 포함한다. 기체 분리 시스템 내의 립은 상기에 기재된 임의의 전기 전도성 고체 물질로 제조될 수 있다. 도 11에 나타낸 실시양태에서, 제1 전기화학 전지(1100a)는 바이폴라 플레이트(1012) 및 립(1014)을 통해 제2 전기화학 전지(1100b)로부터 분리된다. 바이폴라 플레이트(1012) 및 립(1014)은 제1 전기화학 전지(1100a)의 음극(1010) 및 제2 전기화학 전지(1100b)의 양극(1030)과 직접적으로 인접하여 있음으로써 직렬 연결을 위한 전기 전도성 경로를 확립할 수 있다. 시스템 내의 다른 전기화학 전지도 유사하게 전기적으로 연결될 수 있다. 도 11은 바이폴라 플레이트 및 립을 나타내지만, 이러한 도시는 비-제한적이고, 다른 구성 (예를 들어, 바이폴라 플레이트가 없는, 립이 없는 등)도 가능하다. 도 11은 또한, 특정 실시양태에 따르면, 전기화학 전지(1100)를 분리하는 임의적 유동장(1011)을 나타낸다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 구성요소 (예를 들어, 전기 전도성 고체, 예컨대 립)는 이웃하는 전기화학 전지의 음극과 양극 사이의 채널을 확립할 수 있다. 예를 들어, 도 11에서 립(1014)은, 채널(1013)이 기체 (예를 들어, 기체 혼합물)가 전기화학 전지(1011) 사이에서 유동하고 전극과 상호작용하기 위한 경로를 확립하도록 하는 치수를 가질 수 있다. 예를 들어, 기체 혼합물(1075)은, 특정 실시양태에 따르면, 채널(1013)을 통해, 유동장(1011)을 통해, 또한 제1 전기화학 전지(1100a)와 제2 전기화학 전지(1100b) 사이에서 통과될 수 있다.

상기에 기재된 특정 실시양태에서 전류의 유동은 다른 구성에 비해 더 낮은 전기 저항에 직면할 수 있다. 예를 들어, 전기화학 전지가 전기화학 전지의 스택의 적어도 일부 사이의 전기 전도성 물질을 통해 직렬로 연결되는 일부 실시양태에서, 전류는 스택에 수직인 방향으로 유동할 수 있다. 도 11은 하나의 이러한 예를 나타내며, 여기서 전류는 전기화학 전지(1100)에 수직인 방향 x로 유동할 수 있으며, 기체 혼합물(1075)은 전기화학 전지(1100)에 평행인 방향으로 유동할 수 있다. 도 11에서, 전류가 이동하는 경로는 비교적 짧고 바이폴라 플레이트(1012) 및 립(1014)의 두께에 의해 결정된다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지 사이의 하나 이상의 전기 전도성 고체의 두께는 10 mm 이하, 5 mm 이하, 2 mm 이하, 1 mm 이하, 및/또는 0.5 mm만큼, 0.2 mm만큼, 0.1 mm만큼, 또는 그 미만이다. 반면, 전기화학 전지가 외부 배선을 통해 전기적으로 병렬로 연결된 또는 전기적으로 직렬로 연결된 실시양태에서, 전류는 전극 (예를 들어, 전극의 집전체)의 전체 높이 및/또는 길이까지, 또한 전극 탭을 통해 유동하여 외부 배선에 도달하여야 한다. 이러한 높이 및/또는 길이는, 예를 들어, 적어도 1 cm, 적어도 2 cm, 적어도 5 cm, 적어도 10 cm, 및/또는 최대 20 cm, 최대 50 cm, 최대 100 cm, 또는 그 초과일 수 있다. 이러한 실시양태에서 전류 유동에 대한 보다 큰 거리는 일반적으로 보다 큰 총 전지 저항을 초래하고, 이는 본원에 기재된 적어도 부분적 기체 분리의 방법에 있어 전하 수송 및/또는 에너지 효율을 감소시킬 수 있다.

본원에 기재된 전기화학 전지, 시스템, 및 방법은 다양한 응용에서 실행될 수 있다. 전기화학 전지의 수 또는 전지의 세트는 필요에 따라 특정한 응용의 요건에 대해 스케일링될 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 시스템 및 방법은 주변 공기, 뿐만 아니라 밀폐 건물, 자동차 캐빈 (환기를 위한 유입 공기의 난방 비용 감소), 및 CO₂ 수준의 증가가 치명적일 수 있는 잠수함 및 우주 캡슐 등의 폐쇄된 공간으로부터 CO₂를 제거하기 위한 것일 수 있다. 전력 산업에 관한 실시양태에서, 이들은 다양한 농도의 연소-후 이산화탄소의 포집에 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 시스템 및 방법은 산업 연도 가스로부터의 표적 기체의 분리에 적합하다. 또한, 이들은 연도 가스로부터의 이산화황 및 다른 기체의 포집에 사용될 수 있다. 오일 및 가스 산업에 관한 실시양태에서, 개시된 시스템 및 방법은 다양한 공정으로부터 이산화탄소 및 다른 기체를 포집하고, 하류 압축 및/또는 가공처리를 위해 이들을 우회시키기 위해 사용될 수 있다. 개시된 시스템 및 방법은 온난 및 저온 기후에서 온실을 가열하기 위해 사용되는 천연 가스의 연소로부터 이산화탄소를 포집하고, 이어서 포집된 이산화물을 식물이 광합성에서 사용하기 위해, 즉 식물에 영양분을 주기 위해 온실 내로 우회시키기 위해 적용될 수 있다.

일부 실시양태에서, 본원에 기재된 기체 분리 시스템은 비교적 높은 생산성으로 표적 기체를 포집할 수 있다. 기체 분리 시스템을 통한 주어진 기체 스트림 유량에서, 기체 분리 시스템이 기체 혼합물로부터 표적 기체를 포집하는 생산성은 일반적으로, 기체 포집 공정 동안 포집된 표적 기체 (질량으로 측정되고 본원에서 kg_{표적 기체}로서 언급됨)를 기체 분리 시스템의 베드의 중량 (본원에서 kg_베드로서 언급됨)으로 나누고 돌파 시간 (t _b로서 언급됨)을 곱한 비율을 지칭한다. 기체 분리 시스템의 베드는 일반적으로 본원에 기재된 전기화학 전지의 전기활성 화학종의 층 (예를 들어, 1차 전기활성 복합체 층)과 같은 기체 분리 시스템의 흡수성 물질을 지칭한다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는, 기체 분리 시스템의 돌파 시간이 일반적으로, 전극의 포화에 도달하기 위해 또는 포집 공정 동안 시스템을 통한 기체 혼합물 유동 시 유출구 표적 기체 농도가 증가하기 시작하기 위해 필요한 시간을 지칭함을 이해한다. 비교적 높은 생산성이 바람직한 경우일 수 있고, 여기서는 기체 분리 시스템이 비교적 작은 (예를 들어, 1,000 ft³ 이하, 500 ft³ 이하, 200 ft³ 이하, 100 ft³ 이하, 50 ft³ 이하, 25 ft³ 이하, 10 ft³ 이하, 및/또는 5 ft³만큼, 2 ft³만큼, 1 ft³만큼, 0.1 ft³만큼, 또는 그 미만의 총 부피를 갖는) 경우에도 기체 분리 시스템이 높은 효율로 기능하는 것이 바람직하다. 일부 이러한 작은 기체 분리 시스템은 환기 시스템 또는 직접적 공기 포집을 위한 시스템을 위해 특히 유용할 수 있다. 본원에 기재된 특징 중 하나 이상은, 특정한 전기활성 화학종의 사용, 다공성 전극의 사용, 제1 음극, 제2 음극, 및 제1 음극과 제2 음극 사이의 양극을 갖는 전기화학 전지의 사용과 같은, 비교적 높은 생산성을 갖는 기체 분리 시스템에 기여할 수 있다.

일부 실시양태에서, 기체 분리 시스템은 0.001 L/s 이상 및 500 L/s 이하의 기체 스트림 유량에서 0.003 kg_{표적 기체}/(kg베드t _b) 이상, 0.005 kg_{표적 기체}/(kg베드t _b) 이상, 0.01 kg_{표적 기체}/(kg베드t _b) 이상, 0.02 kg_{표적 기체}/(kg베드t _b) 이상, 0.03 kg_{표적 기체}/(kg_베드 t _b) 이상, 또는 그 초과의 표적 기체 (예를 들어, CO₂) 포집에 대한 생산성을 갖도록 구성된다. 일부 실시양태에서, 기체 분리 시스템은 0.001 L/s 이상 및 500 L/s 이하의 기체 스트림 유량에서 0.05 kg_{표적 기체}/(kg_베드 t _b) 이하, 0.04 kg_{표적 기체}/(kg_베드 t _b) 이하, 0.03 kg_{표적 기체}/(kg_베드 t _b) 이하, 0.02 kg_{표적 기체}/(kg_베드 t _b) 이하, 0.015 kg_{표적 기체}/(kg_베드 t _b) 이하, 또는 그 미만의 표적 기체 (예를 들어, CO₂) 포집에 대한 생산성을 갖도록 구성된다. 일부 경우에, 기체 분리 시스템은, 본원에 기재된 특정 특징의 기여로 인해, 심지어 비교적 저농도를 갖는 표적 기체를 포함하는 기체 혼합물로도 및/또는 산소 기체 등의 잠재적 간섭 기체를 포함하는 기체 혼합물로도 이들 범위의 생산성이 가능하다. 기체 분리 시스템은 기재된 유량 범위 내에서 작업 시 상기에 기재된 생산성을 달성하도록 구성될 수 있지만, 기체 분리 시스템은, 일부 경우에는, 지시된 유량 이외의 유량에서, 단 이러한 동일한 구성 (예를 들어, 전기화학 전지 유형, 치수, 배열) 하에 있는 것을 조건으로 하여, 작업될 수 있고, 지시된 생산성이 달성됨을 이해하여야 한다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 유량은 음극 대향 영역당 기체 스트림 유량을 지칭한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 유량은 음극 100 cm²당 기체 스트림 유량을 지칭한다. 이와 관련하여, 음극 대향 영역은 시스템 내의 전기화학 전지의 다수의 스택 내의, 다수의 전기화학 전지 내의 다수의 음극에 걸친 대향 영역의 합계일 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 유량은 시스템 내의 전기화학 전지의 스택당 기체 스트림 유량을 지칭한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 유량은 시스템 내의 10개의 전기화학 전지당 기체 스트림 유량을 지칭한다.

하나 이상의 실시양태에 따르면, 기체 혼합물 (예를 들어, 입력 기체 스트림 등의 기체 스트림)은 특정한 유량으로 기체 분리 시스템으로 도입된다. 일부 실시양태에서, 유량은 0.001 L/s 이상, 0.005 L/s 이상, 0.01 이상, 0.05 L/s 이상, 0.1 L/s 이상, 0.5 L/s 이상, 1 L/s 이상, 5 L/s 이상, 10 L/s 이상, 50 L/s 이상, 100 L/s 이상, 또는 그 초과이다. 일부 실시양태에서, 기체 혼합물 (예를 들어, 입력 기체 스트림 등의 기체 스트림)의 유량은 500 L/s 이하, 400 L/s 이하, 300 L/s 이하, 200 L/s 이하, 100 L/s 이하, 50 L/s 이하, 10 L/s 이하, 1 L/s 이하, 0.5 L/s 이하, 0.1 L/s 이하, 또는 그 미만이다. 이들 범위의 조합도 가능하다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 유량은 0.001 L/s 이상 및 500 L/s 이하이다. 상기와 같이, 일부 실시양태에서 이들 유량은 100 cm²당 유량이다. 일부 실시양태에서 이들 유량은 시스템 내의 10개의 전기화학 전지당 유량이다.

본원에 기재된 특정 측면은 표적 기체의 포집 및 방출 방법에 관한 것이다. 예를 들어, 특정 실시양태는 전기화학 전지 (예를 들어, 전기화학 전지(100))에 걸쳐 제1 전위차를 적용하고 표적 기체를 포함하는 제1 양의 입력 기체 혼합물을 전기화학 전지에 노출시킴으로써 표적 기체를 포집하는 것을 포함한다. 제1 양의 입력 기체 혼합물은 이를 도 5-7b에 나타낸 것과 같은 전기화학 전지 (또는 복수의 전기화학 전지를 포함하는 기체 분리 시스템)를 통해 기체 스트림으로서 유동시킴으로써 노출될 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 전위차의 적용 동안 및/또는 후에, 표적 기체의 일부는 전기화학 전지의 전기활성 화학종과 결합하여 제1 처리된 기체 혼합물을 생성한다. 예를 들어, 표적 기체 (예를 들어, 이산화탄소)는, 제1 전기활성 화학종이 전기화학 전지에 걸친 전위의 적용에 의해 생성된 적어도 하나의 그의 환원 상태에 있을 때, 전기화학 전지의 음극의 제1 전기활성 화학종과 결합할 수 있다. 전기활성 화학종에 대한 표적 기체의 결합은 (상기에서 제거된 표적 기체의 양에 대한 범위와 관련하여 기재된 바와 같은) 제1 기체 혼합물보다 더 적은 양의 표적 기체를 갖는 처리된 기체 혼합물을 제공할 수 있다. 도 8a-8b 및 하기 실시예 2는 입력 기체 혼합물 및 제2 기체 유동의 예시적 방법을 기재한다. 입력 기체 혼합물 및 제2 기체에 추가로 추가의 기체 (예를 들어, 제3 기체, 제4 기체, 제5 기체 등)가 유동될 수 있음을 이해하여야 한다. 추가의 기체는 제2 기체가 유동되기 전에 및/또는 그 후에 전기화학 시스템을 통해 유동될 수 있다.

일부 경우에는, 표적 기체의 적어도 일부가 전기활성 화학종에 결합된 후 전기화학 전지에 걸쳐 제2 전위차가 적용된다. 제2 전위차는 제1 전위차와 상이할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제2 전위차의 적용은 전기활성 화학종과 결합된 표적 기체의 일부 또는 전부를 방출시켜 제2 처리된 기체 혼합물을 생성하는 단계를 제공한다. 제2 처리된 기체 혼합물은 입력 기체 혼합물보다 더 많은 양의 표적 기체를 가질 수 있다. 예를 들어, 표적 기체는 그의 부피 퍼센트가 기체 혼합물의 제1 양보다 10% 더 높은, 20% 더 높은, 50% 더 높은, 100% 더 높은, 200% 더 높은, 1000% 더 높은, 및/또는 최대 2,000% 더 높은, 5,000% 더 높은, 10,000% 더 높은, 또는 그 초과로 더 높은 양으로 제2 처리된 기체 혼합물 중에 존재할 수 있다.

일부 실시양태에서, 전기활성 화학종으로부터의 표적 기체의 방출 동안 및/또는 후에, 방법은 제2 기체를 전기화학 전지를 통해 유동시켜 전기화학 전지로부터 방출 표적 기체의 적어도 일부 또는 전부를 제거하는 것을 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 제2 기체는 입력 기체 혼합물과 상이하다. 예를 들어, 제2 기체는 불활성 기체일 수 있다. 다른 경우에, 제2 기체는 표적 기체의 실질적으로 순수한 기체 (예를 들어, 99.9% 이상, 99.99% 초과, 99.999% 이상, 99.9999% 초과 순도, 또는 그 초과)이다. 예를 들어, 제2 기체는 실질적으로 순수한 CO₂일 수 있다. 또 다른 실시예로서, 제2 기체는 스팀을 포함할 수 있다.

제2 기체를 전기화학 전지로 통과시켜 전기화학 전지로부터 방출 표적 기체의 적어도 일부 또는 전부를 제거하는 것이 유익할 수 있는 하나의 예시적 상황은, 포집된 표적 기체의 양이 전기화학 전지의 베드의 부피보다 더 큰 경우이다. 일부 이러한 경우에, 표적 기체의 하나 초과의 베드 부피가 제1 전기활성 화학종에 결합한다. 예를 들어, 일부 경우에, 전기화학 전지에 의해 포집된 표적 기체의 부피는 전기화학 전지의 베드의 부피보다 적어도 1.5배, 적어도 2배, 적어도 3배, 적어도 5배, 적어도 10배, 적어도 20배, 또는 그 초과로 더 크다. 포집된 표적 기체의 부피가 전기화학 전지의 베드 부피보다 더 큰 일부 이러한 경우에, 표적 기체의 하나 초과의 베드 부피가 제1 전기활성 화학종으로부터 방출된다. 이들 경우에, 포집된 표적 기체의 방출은 전기화학 전지가 대기압 초과의 기체 압력을 갖게 할 수 있다. 일부 이러한 경우에는, 이어서, 방출된 표적 기체가, 표적 기체의 대략 1 베드 부피가 남아 있을 때까지 주변 대기와 함께 생성된 압력차의 힘에 의해 전기화학 전지 외부로 유동할 것이다. 남아 있는 방출된 표적 기체를 제거하기 위해, 제2 기체가 전기화학 전지를 통해 유동될 수 있다. 일부 경우에는, 실질적으로 순수한 표적 기체 (예를 들어, CO₂)가 유동되어 남아 있는 표적 기체를 제거한다. 다른 경우에는, 불활성 기체 (예를 들어, 질소 기체, N₂)가 전기화학 전지를 통해 유동되어 남아 있는 방출된 표적 기체를 제거한다.

제2 기체를 전기화학 전지를 통해 유동시켜 전기 전기화학 전지로부터 방출 표적 기체의 적어도 일부 또는 전부를 제거하는 것이 유익할 수 있는 또 다른 상황은, 포집된 표적 기체의 양이 전기화학 전지의 베드의 부피 이하인 경우이다. 예를 들어, 일부 경우에, 전기화학 전지에 의해 포집된 표적 기체의 부피는 전기화학 전지의 베드의 부피의 1.0배 이하, 0.8배 이하, 0.5배 이하, 0.3배 이하, 및/또는 0.2배만큼, 0.1배만큼, 0.01배만큼, 또는 그 미만이다. 일부 이러한 경우에, 전기화학 전지의 베드 내부의 압력은 주변 압력 이하일 것이다. 이들 경우에, 제2 기체를 전기화학 전지를 통해 유동시켜 전기화학 전지로부터 방출 표적 기체를 제거하기 위해 필요한 힘을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 일부 이러한 경우에, 제2 기체는 캐리어 기체이다. 캐리어 기체는 표적 기체 또는 전기화학 전지 구성요소와 반응하지 않으면서 표적 기체를 수송할 수 있는 임의의 적합한 기체일 수 있다. 캐리어 기체는 기체 혼합물로부터의 표적 기체의 초기 분리만큼 저비용이거나 덜 에너지-집약적인 임의의 다양한 기술을 통해 표적 기체로부터 쉽게 분리가능할 수 있다. 예를 들어, 표적 기체 및 캐리어 기체는 응축 또는 플래시 분리 기술을 통해 분리가능할 수 있다. 캐리어 기체는 표적 기체의 방출 단계 동안 및/또는 표적 기체의 방출 단계 후에 전기화학 전지를 통해 유동될 수 있다. 일부 경우에, 캐리어 기체는 불활성 기체이다. 특정 경우에, 캐리어 기체는 실질적으로 순수한 표적 기체 (예를 들어, 실질적으로 순수한 CO₂)이다. 특정 경우에, 캐리어 기체는 스팀을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제2 기체 (예를 들어, 캐리어 기체)는 입력 기체 혼합물의 제2 부분이다. 예를 들어, 환기 응용에서, 소정량의 표적 기체가 전기화학 전지에 걸친 제1 전위의 적용 동안 환기 공기로부터 제거될 수 있고, 이어서 표적 기체의 방출 동안 및/또는 후에 보다 많은 환기 공기가 전기화학 전지를 통해 유동되어 방출된 표적 기체를 제거한다.

일부 실시양태에서, 표적 기체를 방출시키는 단계 동안 및/또는 후에, 방법은 진공 조건을 전기화학 전지에 적용하여 전기화학 전지로부터 방출 표적 기체의 적어도 일부 또는 전부를 제거하는 것을 추가로 포함한다. 통상의 기술자는, 본 개시내용의 이익으로, 전기화학 전지에 진공 조건을 적용하기 위해 적합한 기술 및 장비를 이해한다. 예를 들어, 진공 펌프가 전기화학 전지의 기체 유출구에 유체 연결될 수 있다. 진공 펌프는 전기화학 전지 베드와 하류 위치 사이의 음의 압력 차를 생성하도록 작업될 수 있다. 이 진공 조건은 상기에 기재된 방출 단계 동안 방출된 표적 기체가 전기화학 전지 외부로 유동하게 하기에 충분한 힘을 제공할 수 있다. 진공 조건은, 표적 기체의 방출 동안 및/또는 후에 전기화학 전지 내부의 압력이 2000 torr 이하, 1500 torr 이하, 1200 torr 이하, 1000 torr 이하, 900 torr 이하, 800 torr 이하, 760 torr 이하, 700 torr 이하, 500 torr 이하, 100 torr 이하, 50 torr 이하, 10 torr 이하, 및/또는 5 torr만큼, 1 torr만큼, 0.5 torr만큼, 0.1 torr만큼, 또는 그 미만이 되도록 적용될 수 있다. 진공 조건은, 표적 기체의 방출 동안 및/또는 후에 전기화학 전지 내부의 압력이 전기화학 전지를 포함하는 기체 분리 시스템을 둘러싼 환경의 압력보다 더 낮게 되도록 적용될 수 있다. 이러한 환경은, 진공 조건이 760 torr 이하, 100 torr 이하, 10 torr 이하 등의 표적 기체의 방출 동안 및/또는 후의 전기화학 전지 내부의 압력을 확립하도록 하는, 해수면에서의 지구 상의 주변 조건일 수 있다. 그러나, 기체 분리 시스템이 우주선과 같은 가압 구조 내에 있는 일부 경우와 같이, 기체 분리 시스템을 둘러싼 환경이 가압될 수 있다 (이는 해수면에서의 대기압의 1.2배로 가압될 수 있음). 일부 이러한 가압 환경 하에, 진공 조건은, 예를 들어, 2000 torr, 1000 torr 미만 등의, 표적 기체의 방출 동안 및/또는 후의 전기화학 전지 내부의 압력을 확립한다.

표적 기체 (예를 들어, CO₂)가 전기화학 전지로부터 방출되는 일부 실시양태에서, 방출된 표적 기체는 임의의 다양한 방식으로 취급될 수 있다. 예를 들어, 방출된 표적 기체는 초기 방출 시 확립된 동일한 부분 압력에서 전기화학 전지 (및 기체 분리 시스템)로부터 배출될 수 있다. 이어서, 방출된 표적 기체는 배기물로서 주변 환경으로 배출될 수 있거나, 또는 이는 추가의 하류 가공처리를 위해 지향될 수 있다 (예를 들어, 유동을 통해). 일부 실시양태에서, 방출된 표적 기체는 비교적 높은 표적 기체의 부분 압력 (예를 들어, 10 bar 이상, 20 bar 이상, 50 bar 이상, 50 bar 이상, 75 bar 이상, 100 bar 이상, 및/또는 최대 110 bar, 최대 120 bar, 최대 150 bar, 또는 그 초과)을 갖는 유체 혼합물 (예를 들어, 기체 혼합물) 중으로 혼입될 수 있다. 일부 실시양태에서, 생성된 유체 혼합물의 부분 압력은 초임계 초과 (예를 들어, 이산화탄소에 대해 130 bar 초과)일 수 있다. 유체 혼합물로의 혼입은 일부 경우에 방출된 표적 기체와 표적 기체를 이미 포함하는 유체 혼합물을 조합함으로써 (이로써 표적 기체의 부분 압력이 증가함) 달성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 표적 기체는 방출된 표적 기체를 압축시킴으로써 비교적 높은 표적 기체의 부분 압력을 갖는 유체 혼합물 중에 혼입된다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는, 본 개시내용의 이익으로, 예를 들어, 표준 압축기 장비 및 기술을 사용하는, 전기화학 전지로부터 배출된 방출 표적 기체 (예를 들어, CO₂)를 압축시키는 방법을 이해한다.

일부 실시양태에서, 음극 또는 그의 부분 (예를 들어, 존재하는 경우 음극의 전기활성 복합체 층)은 표적 기체 (예를 들어, CO₂)의 흡수를 위한 특정한 용량을 갖는다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 음극 또는 그의 부분 (예를 들어, 존재하는 경우 음극의 전기활성 복합체 층)은 적어도 0.01 mol / m², 적어도 0.02 mol / m², 적어도 0.05 mol / m², 또는 그 초과의 흡수 용량을 갖는다. 일부 실시양태에서, 음극 또는 그의 부분 (예를 들어, 존재하는 경우 음극의 전기활성 복합체 층)은 0.1 mol / m² 이하, 0.08 mol / m² 이하, 0.5 mol / m² 이하, 0.03 mol / m² 이하, 또는 그 미만의 흡수 용량을 갖는다. 이들 범위의 조합도 가능하다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 음극 또는 그의 부분 (예를 들어, 존재하는 경우 음극의 전기활성 복합체 층)은 적어도 0.01 mol / m² 및 0.1 mol / m² 이하, 또는 적어도 0.01 mol / m² 및 0.03 mol / m² 이하의 흡수 용량을 갖는다.

일부 실시양태에서, 음극 또는 그의 부분 (예를 들어, 존재하는 경우 음극의 전기활성 복합체 층)은 특정한 비율로 표적 기체 (예를 들어, CO₂)를 흡수할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 음극 또는 그의 부분 (예를 들어, 존재하는 경우 음극의 전기활성 복합체 층)은 적어도 0.0001 mol / m² /초, 적어도 0.0002 mol / m² /초, 적어도 0.0005 mol / m² / 초 또는 그 초과의 흡수 용량 비율을 갖는다. 일부 실시양태에서, 음극 또는 그의 부분 (예를 들어, 존재하는 경우 음극의 전기활성 복합체 층)은 0.001 mol / m² / 초 이하, 0.0008 mol / m² / 초 이하, 0.0005 mol / m² / 초 이하 또는 그 미만의 흡수 용량 비율을 갖는다. 일부 실시양태에서, 전기활성 복합체 층은 적어도 0.0001 및 0.0005 mol / m² / 초 이하의 흡수 용량 비율을 갖는다. 다른 흡수 용량 비율 또한 가능하다.

일부 실시양태에서, 음극의 전기활성 복합체 층은, 예를 들어, 5 cm² 이상, 8 cm² 이상, 10 cm² 이상, 및/또는 최대 10 cm², 최대 20 cm², 최대 50 cm², 최대 1 m², 또는 그 초과의, 기체 혼합물에 노출되는 특정한 표면적을 가질 수 있다. 다른 값 또한 가능하다.

일부 실시양태에서, 본원에 기재된 전극 (예를 들어, 음극, 양극)의 적어도 일부 또는 전부는 다공성 물질을 포함한다. 다공성 전극은 임의의 적합한 물질로 제조될 수 있고/거나 임의의 적합한 형상 또는 크기를 포함할 수 있다. 비-제한적 실시양태에서, 전극은 다공성 탄소질 물질을 포함한다. 용어 탄소질 물질은 관련 기술분야에서의 그의 통상적 의미를 가지며, 전기 전도성인 탄소 또는 흑연을 포함하는 물질을 지칭한다. 탄소질 물질의 비-제한적 예는 탄소 나노튜브, 탄소 섬유 (예를 들어, 탄소 나노섬유), 및/또는 흑연을 포함한다. 일부 이러한 실시양태에서, 전극은 부분적으로 탄소질 물질로부터 제작될 수 있거나, 또는 탄소질 물질은 근본이 되는 물질 상에 침착될 수 있다. 근본이 되는 물질은 일반적으로 전도성 물질, 예를 들어, 금속 및/또는 금속 합금 고체 (예를 들어, 강철, 구리, 알루미늄 등)를 포함한다. 전도성 물질의 다른 비-제한적 예는 본원에 기재되어 있다.

일부 실시양태에서, 전극 (예를 들어, 음극, 양극)은 다공성이다. 전극의 다공도는 전극 내의 공극 공간의 백분율 또는 분율로서 측정될 수 있다. 전극의 퍼센트 다공도는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 기술을 사용하여, 예를 들어 부피/밀도 방법, 물 포화 방법, 물 증발 방법, 수은 침입 다공도측정 방법, 및 질소 기체 흡착 방법을 사용하여 측정될 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극은 적어도 10% 다공성, 적어도 20% 다공성, 적어도 30% 다공성, 적어도 40% 다공성, 적어도 50% 다공성, 적어도 60% 다공성, 적어도 70% 다공성 또는 그 초과이다. 일부 실시양태에서, 전극은 최대 90% 다공성, 최대 85% 다공성, 최대 80% 다공성, 최대 70% 다공성, 최대 50% 다공성, 최대 30% 다공성, 최대 20% 다공성, 최대 10% 다공성 또는 그 미만이다. 이들 범위의 조합도 가능하다. 예를 들어, 전극은 적어도 10% 다공성 및 최대 90% 다공성일 수 있다. 기공은 개방 기공일 수 있다 (예를 들어, 전극 및/또는 또 다른 기공의 외부 표면에 대해 개방된 기공의 적어도 하나의 부분을 가질 수 있음). 일부 경우에는, 전극의 단지 일부가 다공성이다. 예를 들어, 일부 경우에, 전극의 단지 단일 표면이 다공성이다. 또 다른 예로서, 일부 경우에, 전극의 외부 표면은 다공성이고, 전극의 내부 코어는 실질적으로 비-다공성 (예를 들어, 20% 이하, 10% 이하 다공성, 5% 이하 다공성, 1% 이하 또는 그 미만)이다. 특정한 실시양태에서, 전체 전극은 실질적으로 다공성이다.

일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 특정한 사이클 시간을 갖는다. 전기화학 전지의 사이클 시간은 일반적으로 하나의 충전 모드 및 하나의 방전 모드의 수행에서의 기간을 지칭한다. 사이클 시간은 적어도 60초, 적어도 100초, 적어도 300초, 적어도 500초, 적어도 1000초, 또는 그 초과일 수 있다. 일부 실시양태에서, 사이클 시간은 3600초 이하, 2400초 이하, 1800초 이하, 또는 그 미만이다. 이들 범위의 조합도 가능하다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 사이클 시간은 적어도 60초 및 3600초 이하, 또는 적어도 300초 및 1800초 이하이다.

일부 실시양태에 따르면, 전기화학 전지 및 그의 구성요소는, 요망되는 응용 (예를 들어, 환풍기 공기의 기체 분리, 직접적 공기 포집 등)에 따라, 특정한 두께를 갖는다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 적어도 10 μm, 적어도 20 μm, 적어도 50 μm, 적어도 100 μm, 적어도 200 μm, 적어도 300 μm, 적어도 500 μm, 또는 그 초과의 두께를 갖는다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 750 μm 이하, 600 μm 이하, 500 μm 이하, 300 μm 이하, 또는 그 미만의 두께를 갖는다. 이들 범위의 조합도 가능하다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 적어도 200 μm 및 750 μm 이하의 두께를 갖는다. 일부 실시양태에서, 전기화학 전지는 적어도 10 μm 및 750 μm 이하의 두께를 갖는다.

일부 실시양태에서, 음극 또는 양극은 적어도 0.5 μm, 적어도 1 μm, 적어도 2 μm, 적어도 5 μm, 적어도 10 μm, 적어도 20 μm, 적어도 50 μm, 적어도 75 μm, 적어도 100 μm 또는 그 초과의 두께를 갖는다. 일부 실시양태에서, 음극 또는 양극은 200 μm 이하, 150 μm 이하, 100 μm 이하, 또는 그 미만의 두께를 갖는다. 이들 범위의 조합도 가능하다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 음극 또는 양극은 적어도 50 μm 및 200 μm 이하의 두께를 갖는다. 일부 실시양태에서, 일부 실시양태에서, 음극 또는 양극은 적어도 0.5 μm 및 200 μm 이하의 두께를 갖는다.

일부 실시양태에서, 음극 또는 양극의 전기활성 복합체 층은 적어도 10 nm, 적어도 20 nm, 적어도 40 nm, 적어도 0.1 μm, 적어도 0.2 μm, 적어도 0.5 μm, 적어도 1 μm, 적어도 2 μm, 적어도 5 μm, 적어도 10 μm, 적어도 50 μm, 적어도 100 μm 또는 그 초과의 두께를 갖는다. 일부 실시양태에서, 음극 또는 양극의 전기활성 복합체 층은 200 μm 이하, 150 μm 이하, 100 μm 이하, 50 μm 이하, 20 μm 이하, 10 μm 이하, 5 μm 이하, 2 μm 이하, 1 μm 이하, 0.5 μm 이하, 0.2 μm 이하, 0.1 μm 이하, 또는 그 미만의 두께를 갖는다. 이들 범위의 조합도 가능하다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 음극 또는 양극의 전기활성 복합체 층은 10 μm 이상 및 200 μm 이하의 두께를 갖는다. 일부 실시양태에서, 음극 또는 양극의 전기활성 복합체 층은 10 nm 이상 및 100 nm 이하, 또는 50 nm 이상 및 500 nm 이하의 두께를 갖는다.

시스템의 다양한 구성요소, 예컨대 전극 (예를 들어, 음극, 양극), 전원, 전해질, 세퍼레이터, 용기, 회로, 절연 물질 등은 임의의 다양한 구성요소로부터 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 제작될 수 있다. 구성요소는 그린 또는 소성 상태로, 성형, 기계가공, 압출, 프레싱, 이소프레싱, 침윤, 코팅되거나, 임의의 다른 적합한 기술에 의해 형성될 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는 본원에서의 시스템의 구성요소의 형성을 위한 기술을 쉽게 인지한다.

본원에 기재된 전극 (예를 들어, 음극, 양극)은 임의의 적합한 크기 또는 형상을 가질 수 있다. 형상의 비-제한적 예는 시트, 입방체, 실린더, 중공 튜브, 구체 등을 포함한다. 전극은, 이들이 사용되는 응용 (예를 들어, 환기 공기로부터의 기체 분리, 직접적 공기 포집 등)에 따라, 임의의 적합한 크기를 가질 수 있다. 추가로, 전극은 전극을 또 다른 전극, 전원, 및/또는 또 다른 전기 장치에 연결하기 위한 수단을 포함할 수 있다.

시스템의 다양한 전기 구성요소는 연결을 위한 수단에 의해 적어도 하나의 다른 전기 구성요소와 전기적으로 소통할 수 있다. 연결을 위한 수단은 제1 구성요소와 제2 구성요소 사이에서 전기의 유동이 일어날 수 있게 하는 임의의 물질일 수 있다. 두 전기 구성요소의 연결을 위한 수단의 비-제한적 예는 전도성 물질 (예를 들어, 구리, 은 등)을 포함하는 와이어이다. 일부 경우에, 시스템은 또한 둘 이상의 구성요소 (예를 들어, 와이어 및 전극) 사이의 전기 커넥터를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 와이어, 전기 커넥터, 또는 연결을 위한 다른 수단은, 물질의 저항이 낮도록 선택될 수 있다. 일부 경우에, 저항은 전극, 전해질, 및/또는 시스템의 다른 구성요소의 저항보다 실질적으로 더 낮을 수 있다.

2019년 8월 28일 출원되고 발명의 명칭이 "Electrochemically Mediated Carbon Capture from Low Concentration Streams"인 미국 가출원 번호 62/892,962, 2016년 10월 26일 출원되고 발명의 명칭이 "Electrochemical Process for Gas Separation"인 미국 특허 출원 번호 15/335,258, 2019년 10월 21일 출원되고 발명의 명칭이 "Electrochemically Mediated Gas Capture, Including from Low Concentration Streams"인 미국 특허 출원 번호 16/659,398, 및 2019년 10월 21일 출원되고 발명의 명칭이 "Electrochemically Mediated Gas Capture, Including from Low Concentration Streams"인 국제 특허 출원 번호 PCT/US2019/057224는 각각 모든 목적상 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.

하기 실시예는 본 발명의 특정 실시양태를 예시하도록 의도되지만, 본 발명의 전체 범위를 예시하는 것은 아니다.

실시예 1

본 실시예는, 본원에 기재된 방법, 및 기체 혼합물로부터의 표적 기체의 전기화학적 분리에 대한 산소 전기화학 및 반응성의 영향에 관한 실험, 실시양태, 및 비-제한적 이론을 기재한다. 본 실시예에 기재된 물질 및 파라미터 값은 비-제한적이며 단지 예로서의 것이다.

전기화학 공정에서, 초산화물 이온은 용해된 O₂와의 산화환원-활성 분자의 균질 1-전자 전달 반응을 통해 또는 전극 표면 상에서의 불균질 1-전자 환원을 통해 생성될 수 있다. DMF 전해질 용액 중에서는, O₂가 -1.35 V (0.87 V vs 표준 칼로멜 전극 (SCE) 참조 전극)의 1/2-파 전위로 초산화물 이온을 형성하는 준-가역적 전자 전달을 나타내었음이 보고되었다. 전극 표면 상에서의 불균질 환원을 통한 초산화물의 생성을 제한하거나 방지하기 위해, 퀴논을 활성화시키기 위한 1/2-파 환원 전위가, 일부 경우에, 초산화물 이온의 형성의 1/2-파 전위보다 더 큰 양의 값이어야 함이 본 개시내용의 맥락에서 발견되었다. 또한, 환원된 퀴논은, 퀴논의 1/2-파 환원 전위가 O₂의 것보다 더 큰 음의 값인 경우, O₂와의 균질 1-전자 전달 반응을 겪을 수 있다. 초산화물 이온의 형성은

또는

반응을 따른다. 약하게 착물화되는 퀴논의 경우, 전극 전위가, 일부 경우에, CO₂와의 카르복실화를 위해 요구되는 이가음이온 퀴논을 형성하기 위해 충분히 음이어야 하는 반면, 강하게 착물화되는 퀴논의 경우, 세미퀴논의 형성이 CO₂와의 착물화를 용이하게 하기에 충분함이 결정되었다. 약하게 회합되는 퀴논의 경우, 이가음이온 퀴논으로부터 O₂로의 전자 전달의 평형 상수는 하기 식을 사용하여 계산될 수 있다:

강하게 회합되는 퀴논의 경우, 세미퀴논으로부터 O₂로의 전자 전달의 평형 상수는 하기 식을 사용하여 계산될 수 있다:

여기서,

및

는 각각 퀴논에 대한 제1 및 제2 전자 전달의 공식 표준 환원 전위이고,

는 O₂ 환원에 대한 공식 표준 환원 전위이다. 다양한 퀴논의 표준 환원 전위를 측정하거나 근사하기 위해 순환 전압전류법이 수행되었다. 표 1 및 2는 다양한 퀴논에 대해 측정 및 결정된 평형 상수를 요약한 것이다. 본 실시예의 계산으로부터의 DBQ 세미퀴논 및 O₂에 대한 평형 상수 (K_반응 = 49.0 M^-1)는 이전에 보고된 실험 값 (K_반응 = 43.8 ± 3.8 M^-1)과 유사하다.

표 1. 약하게 착물화되는 퀴논의 이가음이온 및 O₂의 평형 반응

표 2. 강하게 착물화되는 퀴논의 세미퀴논 및 O₂의 평형 반응

반응 상수에 기초하여, 약하게 회합되는 퀴논은 측정된 조건 하에 O₂의 존재 하에 전기화학적 CO₂ 분리를 위해 적합한 것이 없는데, 이는 이가음이온 퀴논으로부터 O₂로의 전자 전달이 유리하였고 시스템 내의 초산화물 이온을 생성할 것이기 때문이다. 강하게 회합되는 여러 퀴논이 O₂의 존재 하에 전기화학적 CO₂ 분리에 적합한 것으로 결정되었다: PQ-에스테르 (페난트렌퀴논 에틸 에스테르), PQ-I, PQ-I₂, PQ, o-NQ, p-NQ-Me₂, p-NQ, TBQ 및 BQ. 본 실시예에서 측정된 다양한 퀴논 구조에 대한 N₂ 및 CO₂ 하의 환원 파의 피크 전위가 도 9에 요약되어 있다. 도 9는 100 mV/s의 스캔 속도에서 N₂ (각각의 퀴논에 대한 선으로 연결된 상부 원형 기호) 또는 CO₂ (각각의 퀴논에 대한 하부 원형 기호)로 포화된 건조 0.1 M n-테트라부틸암모늄 헥사플루오로포스페이트 ([n-Bu₄N]PF₆) 디메틸포름아미드 (DMF) 전해질 중의 식 1에 나타낸 다양한 퀴논의 20 mM 용액의 표로 작성된 순환 전압전류법 결과를 나타낸다. 채워진 원형 기호는 퀴논으로부터 세미퀴논으로의 제1 전자 전달 (우측 기호) 및 세미퀴논으로부터의 더 큰 음의 값의 전극 전위에서 나타나는 제2 전자 전달 (좌측 기호)의 1/2-파 전위를 나타내었다. 1/2-파 전위를 사용하여 전환의 표준 환원 전위를 근사할 수 있다.

식 1. 본 실시예에서 측정된 퀴논 분자의 구조 및 명칭.

약하게 착물화되는 퀴논의 카르복실화를 위해 요구되는 2개의 환원 파 및 보다 큰 음극 전위는, 특정 경우에 CO₂ 분리에서의 착물화제로서의 이들의 사용을 배제한다. 이는, 기체 혼합물, 특히 O₂를 함유하는 것들로부터의 CO₂의 효과적인 분리를 위한 적절한 산화환원 특징을 나타낸, 일부 강하게 착물화되는 퀴논의 경우에는 그렇지 않다. 착물화 단계 동안, 이들 화합물은, 바람직하지 않은 초산화물 음이온이 전극 상에 형성되는 -1.35 V보다 더 큰 양의 값인, 이 경우에 요망되는 바와 같은, -0.87 V 내지 -1.07 V 범위의 전극 전위를 갖는 세미퀴논을 형성하도록 전기화학적으로 활성화될 수 있다.

이들 실험 결과는, 산소 기체와는 반응할 수 없으면서 예시적 표적 기체 (CO₂)와 결합을 형성할 수 있는 적어도 하나의 환원 상태를 갖는 적합한 전기활성 화학종을 결정하는 것이 가능함을 입증하였다. 본 실시예는 또한 주어진 후보 전기활성 화학종에 대한 이러한 결정을 수행하는 하나의 예시적 방식을 기술한다.

실시예 2

본 실시예는, 환기 및 직접적 공기 포집 응용 등을 위한, 본원에 기재된 방법, 및 예시적 표적 기체 (예를 들어, CO₂)를 포집하고 방출시키는 방법에 관한 실시양태, 및 비-제한적 이론을 기재한다. 본 실시예에 기재된 물질 및 파라미터 값은 비-제한적이며 단지 예로서의 것이다.

본 실시예의 장치는, 저농도 또는 CO₂-풍부 스트림 및 조성물로, 다양한 가능한 스케일의 많은 탄소 포집 응용에서 사용될 수 있다. 이들 응용은, 목표가 CO₂의 제거인 것들 및 목표가 하류 격리 또는 가공처리를 위한 CO₂의 등급상승인 것들로 분류될 수 있다.

CO ₂ 의 회수가 중요하지 않은 경우

이들 응용에서 방출된 CO₂는, 직접적 공기 포집 (DAC) 이외에, 처리되는 전체 기체의 부피에 비해 그의 작은 부피로 인해, 통상적으로 폐기된다. 따라서, 이러한 작업 모드는 주로, 환기 응용을 위해 유리한, 공급물 농도가 <1% CO₂ (10,000 ppm)인 응용에 있어 중요하다. 여기서, CO₂는 입력 기체 혼합물 ("공급물 스트림")로부터 제거되고, 전기화학 전지의 베드가 포화된다. 이어서, 순수한 CO₂가 베드를 재생시키도록 방출 동안 베드를 퍼징하기 위해 사용되는 동일한 유입구 스트림 내로 방출된다. 포집의 에너지는, 베드가 ~10 - 50회/일로 다른 모드에서보다 훨씬 더 낮은 빈도수로 재생되어야 하기 때문에, 이 모드에서 큰 중요성을 갖지 않을 수 있다. 또한, 팬을 통한 유입구 공기의 수평류의 에너지 비용은 포집의 에너지와 유사하게 된다. 따라서, 전체 베드 활성화 및 전체 베드 재생이 흡착 전에 수행될 수 있다. 이는 약 120 kJ/mol까지 포집의 에너지를 증가시킬 것이다. 도 8a는 이들 조건 하에 입력 기체 혼합물 및 다른 기체 (예를 들어, 제2 기체)를 유동시키는 방법의 비-제한적 예의 개략도를 나타낸다.

환기 (공급물 농도: 1,000 - 5,000 ppm CO ₂ )

건물 및 다른 구조물로부터의 대사 CO₂의 제거는 유입 공기에 요구되는 난방의 감소를 통해 HVAC (난방, 환기, 및 냉방) 시스템의 효율을 향상시키기 위해 최근 더 많은 관심을 받고 있다. 인간 거주 영역 내의 실내 CO₂ 농도는 실내 공기를 하루 최대 10회 신선한 외부 공기로 지속적으로 교체함으로써 5,000 ppm 미만으로 유지된다. 교체 공기를 위해 요구되는 냉각 또는 가열의 온도 조정은 종종 주거 및 상업용 건물의 전형적인 과도한 에너지 소비를 초래한다. 그러나, CO₂가 공기로부터 제거되는 경우, 훨씬 더 작은 부피를 갖는 간헐적 교체로, 실내 공기를 훨씬 더 오랫동안 재순환시킬 수 있음이 인식되었다.

물리적 여과 및 때때로의 제습을 통해 <100 ppm 농도로 나타나는 휘발성 유기 화합물 (VOC) 및 다른 실내 공기 오염물을 제거하면서, CO₂를 본원에 기재된 전기화학 전지 및 기체 분리 시스템에 의해 재순환 공기로부터 직접 포집할 수 있다. 공급 공기는 포집에 따라 CO₂ 고갈되고, 이를 사용하여 방출에 따라 베드를 퍼징하고, 여기서 베드의 유출구 유동이 실외로 우회된다. 고전류에서 일정한 전류 방출은, 완전 생성은 아니어도 높은 비율의 베드의 재생을 달성할 수 있다.

1명당 필요한 베드 부피는 제작된 장치를 스케일링함으로써 계산될 수 있다. ~ 22 mol/일.명의 CO₂ 생성 비율 및 ~ 0.5 h의 베드 포화 기간, 즉 약 50/일의 재생 빈도수에서, 0.8 - 1×10^-2 m³ (8 - 10 L)의 전기화학 전지 베드가 1명당 요구된다. 이는 기존 HVAC 시스템으로 쉽게 통합될 수 있고, 여기서 주어진 7.5 L/s.명¹의 표준 환기 요건 및 25℃의 실내와 실외 온도차에서, 최대 60%의 에너지 소비 감소가 예상될 수 있다. 이 환기율에서 가열 또는 냉각은 > 150 W를 요구하지만, 본원에 기재된 전기화학적 방법은, 120 kJ/mol에서 250 μmol/s의 인간 생성률에서, ~30 W를 요구한다. 20% 지시 값까지 총 공기 교체 요구를 감소시킴으로써, 총 에너지 소비는 60 W를 초과하지 않을 것이다.

본원에 기재된 전기화학 전지 및 기체 분리 시스템 및 방법은 또한 자동차 캐빈의 환기에 사용될 수 있고, 여기서 작업 모드는, 보다 작은 베드 및 보다 빈번한 재생 가능성과 함께, 실내 환기의 것과 매우 유사하다. 그에 추가로, 전기화학 환기 유닛은 우주선 선상 및 우주 정거장에 설치될 수 있고, 여기서는 CO₂의 제거가 환기의 유일한 가능한 메커니즘이다. 현재의 국제 우주 정거장 (ISS)의 NASA 요건은 ~ 4 kg/일의 CO₂의 제거를 요구한다. 현재의 압력 스윙 흡착 (PSA) 또는 온도 스윙 흡착 (TSA) 시스템은 300 W로 작업된다. 이 경우에 베드의 재생은 유입구 밸브가 폐쇄된 상태에서 순수한 CO₂의 진공 공간 내로의 방출에 의해 수행될 수 있다. 그러나, 보다 최근에는, NASA의 "폐기물 제로" 정책을 고려할 때, 포집된 CO₂를 다른 유용한 화합물 및 산소로 가치화 하는 것에 관심이 있다. 이 경우, 본원에 기재된 전기화학 시스템은 CO₂-회수 모드로 작업되어야 한다.

CO ₂ 의 회수가 중요함

이 작업 모드에서의 CO₂ 포집에 대한 가능한 하나의 사용은, 하류 격리 또는 가치화를 위해, 낮은 유입구 농도로부터 거의 순수한 CO₂까지, CO₂ 농도를 업그레이딩하는 것이다. 본원에 기재된 전기화학적 방법에 의한 CO₂의 포집은 전과 유사한 방식으로 이 모드로 진행된다. 높은 공급물 농도에 대해, 또한 포집의 에너지론이 중요한 경우, 흡착은 절반 베드의 활성화 후 일정한 전위 포집에 의해 수행될 수 있다. 유입구 농도가 매우 낮은 경우에는 전체 베드 활성화가 또한 가능하지만, 전원 공급의 차단이 요망된다.

그러나, 순수한 CO₂의 방출은, CO₂-희박 기체의 칼럼을 제거하기 위해 돌파 직전에 순수한 CO₂의 스트림으로 베드를 헹군 후, 유입구 밀봉 하에 수행된다. 그 후, 도 6에 나타낸 바와 같이, 순수한 N₂로 헹굼으로써 CO₂의 최종 칼럼을 제거한다. 각각 방출 전과 후에, 헹굼 단계 동안 순수한 CO₂ 및 N₂의 유량은 Re > 2000을 달성하기에 매우 높고, 이는 예리한 전면으로의 플러그 유동을 보장한다. 이는 기체 칼럼의 계면에서의 혼합을 최소화하고, 이는 유출구에서의 하나의 기체의 또 다른 것으로의 예리한 전이를 가능하게 한다. 도 8b는 이들 조건 하에 입력 기체 혼합물 및 다른 기체 (예를 들어, 제2 기체)의 유동 방법의 비-제한적 예의 개략도를 나타낸다.

배기물 (또한 실내 공기 내)에서의 수분 함량은 전기화학 전지에 부정적 영향을 줄 수 있고, 이는 전해질 이온성 액체 (IL)의 용해, 및 환원된 퀴논과의 반응에 대한 CO₂와의 경쟁에 의한 전극 용량의 약화를 포함한다. 이는 일부 경우에 습윤화된 전극으로부터 물을 밀어내는 소수성 IL을 사용함으로써 회피될 수 있다. 소수성 IL은 통상적으로 고도로 플루오린화된 양이온 및 음이온, 예컨대 비스[(트리플루오로메틸)술포닐]이미드 [Tf₂N^-]를 갖고, 이는 IL 중의 CO₂의 용해도를 추가로 개선시키고, 잠재적으로 전극을 통한 그의 수송을 향상시킨다.

직접적 공기 포집 (DAC) (예를 들어, 공급물 농도: 300 - 400 ppm CO ₂ )

탄소 풋프린트의 오프셋 방식으로서의 탄소-네가티브 기술의 관심 증가와 함께, DAC가 주목받고 있다. 그러나, DAC를 위한 고려되는 또는 개발되고 있는 대부분의 기존 흡수성 물질은 열적 재생을 필요로 하고; 흡수성 및 다른 매트릭스 물질에 대한 에너지 손실과 관련된 공정이 사용된다.

2원 기체 혼합물로부터 100% 순도의 CO₂의 100% 회수를 위한 열역학적 최소 일은 하기 식에 의해 주어진다:

여기서 R은 기체 상수이고, T는 온도이고, y는 2원 혼합물 중의 CO₂의 몰 분율이다. 상기 등식은, CO₂의 농도가 CO₂의 평균 대기 농도 400 ppm에서 ~22 kJ/mol의 값에 도달하도록 감소됨에 따라 분리의 최소 일이 극적으로 증가함을 보여준다. 그러나 퀴논의 충방전 전기화학은 그보다 더 큰 최소 V-Q 일을 갖는다. 따라서, 본원에 기재된 전기화학적 방법을 사용한 DAC에 필요한 에너지는 유입구 CO₂ 농도에 대해 독립적이다.

포집 공정은 절반 베드 또는 전체 베드 활성화를 통해 진행될 수 있다. 그러나, DAC 기술의 에너지 경제 고려사항을 고려하여, 일부 경우에는, 절반 베드의 활성화 후 일정한 전위에서 포집할 것이 권고된다. 방출 공정은 순수한 CO₂의 회수를 가능하게 하도록 도 8b에 기재된 설계를 따를 수 있다. DAC에서 베드의 재생의 빈도수는, 타당한 유입구 유량에서 작은 베드의 경우에도, 매우 작고, 포집 기간은 수일의 정도일 수 있다.

본원에 기재된 전기화학 시스템 및 방법은, 많은 열적으로 생성된 시스템 (55 - 130 kJ/mol)보다 더 낮은 ~ 45 kJ/mol로 DAC를 가능하게 하는 것으로 결정되었지만, 전기화학 전지를 통해 공기의 수평류를 강제이동시키기 위해 팬 작동 시 추가의 소모가 발생할 수 있다. 본원에 기재된 전기화학 장치는, 100 Pa 이하의, 1 - 2 L/min의 유량에서의 압력 강하를 갖도록 제작되고 이를 갖는 것으로 나타났다. 그러나, 먼지 및 다른 공기 오염물의 물리적 여과를 가능하게 하기 위해 일부 경우에 보다 큰 압력차가 요구될 수 있다.

실시예 3

본 실시예는 표적 기체와 특정 전기활성 화학종의 전기화학적으로 매개된 반응성에 관한 실험, 실시양태, 및 비-제한적 이론을 기재한다. 본 실시예에 기재된 물질 및 파라미터 값은 비-제한적이며 단지 예로서의 것이다.

이산화탄소와 전기활성 화학종의 비-제한적 예의 반응성을 입증하기 위해, 이산화탄소의 존재 하에, 또한 불활성 질소 분위기에서, 상기에 언급된 임의로 치환된 퀴논으로 순환 전압전류법 실험을 수행하였다. 약하게 착물화되는 퀴논의 순환 전압전류법을 또한 수행하였다.

프린스턴 어플라이드 리서치(Princeton Applied Research)로부터의 베르사스튜디오(VersaStudio)™ 소프트웨어와 함께 파스타트(Parstat) 3000-A 포텐티오스탯을 사용하여 표준 3-전극 전지로 순환 전압전류법 측정을 수행하였다. 전기화학 측정을 유리 전지에서 수행하였고, 용액의 온도를 정의된 온도에서 유지하였다. 백금 작동 전극을 BASi로부터 구입하였다. 백금 와이어가 상대 전극의 역할을 하였고, 비누출(leakless) Ag/AgCl 참조 전극이 사용되었다. 페로센을 내부 표준물로서 사용하였다. DMF 중의 0.1 M [n-BU₄N]PF₆의 전해질을 사용하였다. 용액을 30 min 동안 온화한 교반 하에 질소로 주의깊게 퍼징하였고, 질소 분위기를 전기화학 실험 동안 유지하였다.

약하게 착물화되는 퀴논

실시예 1에 언급된 5개의 약하게 착물화되는 퀴논을 전기화학적 환원에 따른 이산화탄소와의 그의 반응성에 기초하여 분류하였다. 약하게 착물화되는 퀴논은, 이들의 산화환원 특성에 대하여 갖는 CO₂와의 이들의 상호작용의 영향에 기초하여, 테트라클로로-p-벤조퀴논 (BQ-Cl₄), 2,7-디클로로벤조퀴논 (BQ-Cl₂), 2-3-디클로로-p-나프토퀴논 (p-NQ-Cl₂), 2-클로로-9,10-안트라퀴논 (AQ-Cl), 9,10-안트라퀴논 2-프로파노에이트 에스테르 (AQ-COO-C₃H₇), 및 9,10-안트라퀴논 부틸 아미드 유도체 (AQ-CONH-C₄H₉)였다. 도 12a는 100 mV/s의 스캔 속도에서 N₂ (좌측) 및 CO₂ (우측) 분위기 하에 AQ-Cl의 순환 볼타모그램을 나타낸다. AQ-Cl에서의 결과는 다른 4개의 지시된 약하게 착물화되는 퀴논을 대표하였다. 전해질 용액이 CO₂로 포화되었을 때, 제1 전자 전달 (더 큰 양의 값의 전위에서)의 캐소드 또는 애노드 파에서는 변화가 나타나지 않았지만, 제2 전자 전달의 캐소드 파는 양으로 이동되었고, 산화 파는 이용된 스캔 속도에서 비가역성을 나타내는 특징을 나타내었다. 도 12a에서, N₂ 분위기 하에, AQ-Cl은 페로세늄/페로센 (Fc⁺/Fc)에 대하여 -1.26 V에서 제1 1/2-파 전위 및 -2.00 V에서 제2 1/2-파 전위를 갖는 2개의 가역적 1-전자 전달 과정을 나타내었다. CO₂가 용액에 도입되었을 때, 캐소드 피크 전류 및 제1 전자 전달에 대한 위치에서 변화가 관찰되지 않았지만, 제2 캐소드 파에서의 양의 이동은 AQ-Cl 이가음이온에 대한 CO₂의 환원 부가의 발생을 나타내었다. 이가음이온과 CO2 사이의 이 화학 반응은 CO₂ 분자의 양전성 탄소 원자와 산소음이온 사이의 친핵성 부가 반응을 통해 일어나는 것으로 믿어진다.

약하게 착물화되는 퀴논의 이가음이온과 CO₂의 착물화에 대한 회합 상수의 값을 하기 등식을 사용하여 CO₂가 용액으로 도입되었을 때 제2-전자 전달의 1/2-파 전위의 양의 이동으로부터 계산하였다.

여기서 F는 패러데이 상수이고, R은 이상 기체 상수이고, T는 온도이고, CO2 가 시스템에 도입되었을 때 1/2-파 전위의 이동을 나타내고, [CO2]는 용해된 CO2의 농도이다. 계산은 BQ-Cl₄에 대한 6 x 10¹ M^-1 내지 AQ-Cl에 대한 2.32 x 10³ M^-1 범위의 값을 제공하였다.

BQ-Cl₂, BQ-Cl₄ 및 p-NQ-Cl₂에 대한 CO₂ 회합 상수의 변동은 퀴노이드 고리-구조 상의 전자 구인성 치환체에 의한 산소음이온의 공명 및 유도성 안정화 효과에 기인한다. 산소음이온의 보다 큰 안정화는 CO₂ 부가를 향한 그의 친핵성 반응성을 감소시키고, CO₂ 회합 상수를 감소시킨다. BQ-Cl₂ 이가음이온에 비해 p-NQ-Cl₂에 대한 CO₂ 결합 상수의 감소는, 예를 들어, 퀴논 고리-구조에 융합된 방향족 페닐 기 내의 전자 비편재화를 통한 공명 안정화에 주로 기인하는 것으로 믿어졌고, 이는 페놀 및 1-나프톨 분자에서 관찰되는 방향족 산화물 음이온의 염기도에 대한 공명 안정화의 영향과 일치한다. 희석 수용액 중에서, 페놀 (페녹시드 pK_b = 3.11)은, 1-나프톨 (나프톡시드 pK_b = 3.66)에 비해 더 염기성이다. 유기 용매 중에서, 루이스 염기로서의 산소음이온의 강도는 그의 수소-결합력에서 반영된다. BQ-Cl₂에 비해 BQ-Cl₄에 대한 보다 낮은 측정된 CO₂ 결합 상수는 염소 측기의 전자-구인성 특색; 이가음이온 BQ-Cl₄의 보다 큰 안정화에 대해 허용된 2개의 염소 원자로의 BQ-Cl₂의 2개의 수소 원자의 치환 및 CO₂를 향한 이 음이온의 친핵성 감소에 주로 기인한다고 믿어진다.

퀴논 고리에 대한 방향족 벤젠 기의 융합은 퀴논-고리 구조에 대한 전자-구인성 기의 부착의 경우에 비해 산소음이온의 공명 안정화에 대한 보다 적은 영향을 나타내었다. 따라서, 융합된 방향족 페닐로의 전자-구인성기의 치환은 CO₂ 회합 상수를 증가시켰고, 이는 CO₂의 부가가 제1 전자 전달의 환원 및 산화 파에 영향을 주지 않았던 반면, 1/2-파 전자 전달은 양으로 이동하였기 때문에, 약하게 착물화되는 퀴논으로 분류된, 안트라퀴논 유도체, AQ-Cl, AQ-CONH-C₄H₉ 및 AQ-COO-C₃H₇에 대해 입증되었다.

CO ₂ 의 존재 하에 강하게 착물화되는 퀴논의 전기화학

CO₂와 강하게 상호작용하는 퀴논에 대한 CO₂의 부가는 상기 약하게 착물화되는 퀴논에 대해 논의된 것들과 현저히 상이한 순환 전압전류법 파를 초래하였다. 실시예 1에서 참조되는 11개의 퀴논은 강하게 착물화되는 퀴논으로 분류되었다: BQ, p-NQ, AQ, AQ-O-C₃H₇, o-NQ, PQ, DBQ, TBQ, p-NQ-Me₂, PQ-I 및 PQ-I₂. 이들 퀴논으로서의 최초 6개의 화합물에 대한 하기 논의는 완전한 상호작용 범위에 걸쳐 독특한 순환 볼타모그램을 제시하였다.

안트라퀴논 유도체, AQ-COO-C₃H₇은 약하게 착물화되는 퀴논의 그룹 중에서 가장 강한 CO₂ 회합 상수를 나타내었다. 에스테르 치환체의 카르보닐 기 (C=O)의 전자-구인성 성질은 산소음이온의 루이스 염기도를 감소시키고, 이는 CO₂와의 그의 회합 상수를 제한한다고 믿어진다. 에스테르 기의 임의의 전자-공여 치환체로의 치환은 CO₂ 회합 상수의 증가를 제공한다고 믿어진다. 반대 유도 효과를 갖는 2개의 안트라퀴논 유도체, AQ-COO-C₃H₇ 및 AQ-O-C₃H₇의 전기화학적 거동을 비치환된 안트라퀴논 분자, AQ의 것과 비교하였고, 이에 대해 수소의 치환체 유도 효과는 에스테르와 에테르 기의 것 사이에 있다.

도 12b-12d는, 100 mV/s의 스캔 속도에서 N₂ (좌측) 및 CO₂ (우측) 분위기로 포화된 DMF 전해질 중에서의 각각 AQ-COO-C₃H₇, AQ 및 AQ-O-C₃H₇에 대한 순환 전압전류법을 나타낸다. AQ-COO-C₃H₇, AQ 및 AQ-O-C₃H₇의 순환 볼타모그램은, 약 0.7 V만큼 분리된, N₂ 중에서의 2개의 1-전자 전달 파를 나타내었다. 다른 약하게 착물화되는 퀴논과 같이, 전해질 용액이 CO₂로 포화되었을 때 AQ-COO-C₃H₇에 대한 제1 환원 파의 피크 전류 및 위치는 변화가 없었지만, 제2 환원 파는 양으로 이동하였다 (도 12b). 수소 및 에테르 치환체 둘 다에서, CO₂ 회합 상수는 에스테르 기에서 더 강할 것으로 예상되었고, 따라서 제2 환원 파의 보다 큰 양의 이동이 AQ 및 AQ-O-C₃H₇에 대해 관찰되었다 (각각 도 12c 및 12d). 제2 (보다 음의) 환원 파의 양의 이동에는 제1 캐소드 전류 증가가 동반되었다. 제2 환원 파는 AQ의 경우에는 단지 숄더(shoulder)였고 (도 12c), AQ-O-C₃H₇의 경우에는 관찰되는 것이 없었다 (도 12d). AQ의 제1 캐소드 피크 전류는 56 μA로부터 70 μA까지 증가하였지만, AQ-O-C₃H₇에 대한 캐소드 피크 전류는 56 μA로부터 83 μA까지 증가하였다. N₂ 하에서보다 더 높은 CO₂ 하에서의 산화 파의 전류로, 단지 하나의 산화 파가 AQ 및 AQ-O-C₃H₇의 볼타모그램에서 관찰되었다. 제1 산화 파에서의 전류 증가는, CO₂를 방출시키고 세미퀴논을 재생하는 (이는 중성 퀴논 화학종으로 즉시 산화됨) 퀴논-CO₂ 단일부가물의 산화에 상응하는 것으로 믿어진다. 단일부가물을 산화시키기 위한 전극 전위가 이렇게 생성된 세미퀴논을 추가로 산화시키기 위해 충분히 강력하기 때문에 동시의 2-산화 과정이 일어난다.

전자-공여 치환체를 갖는 퀴논은 보다 강한 CO₂ 회합 상수를 가질 것으로 예상되었다. 그의 분자 구조에 기초하여, BQ 및 p-NQ의 산소음이온은 AQ 및 AQ-O-C₃H₇ 둘 다의 것들보다 더 높은 CO₂ 회합 상수를 가질 것이다. 공명 안정화 및 방향족 산소음이온의 염기도에 대한 그의 영향의 개념에서, p-NQ 산소음이온의 염기도는 BQ 및 AQ의 것들 사이에 있을 것으로 예상되었다. 융합된 방향족 페닐 고리 없이, BQ 산소음이온은 이들 3개 퀴논 중 가장 강한 루이스 염기이다.

도 13a-13b는 4 mM (좌측) 및 20 mM (우측)의 퀴논 농도에서 사용 시 100 mV/s의 스캔 속도에서 N₂ 또는 CO₂로 포화된 DMF 중의 0.1 M [n-Bu₄N]PF₆의 p-벤조퀴논 (BQ) (도 13a) 및 p-나프토퀴논 (p-NQ) (도 13b) 용액의 순환 전압전류법을 나타낸다. 질소 환경 하에 BQ 및 p-NQ 용액에 대해 2개의 잘 분리된 전기화학 파가 관찰되었다. CO₂의 존재 하에, 이들 퀴논은 이 환원 전위에서의 2개의 연이은 전자 전달에 기인하는 제1 전자 전달의 피크 전류의 현저한 증가, 및 단일부가물 이가음이온 및 중성 퀴논을 제공하는 세미퀴논의 빠른 불균등화에 기인할 수 있는 제2 전자 전달의 환원 파의 소실을 나타내었다.

4 mM의 BQ 농도에서, CO₂의 존재는 24.5 μA로부터 36.0 μA까지, 즉, 약 47%만큼 제1 전자 전달의 피크 전류를 증가시킨다. 20 mM BQ에서, 전류 증가는 54%에 도달하였다. 유사하게, 4 mM p-NQ에서, 피크 전류는 22.6 μA로부터 30.3 μA까지, 또는 약 34% 증가한 반면; 20 mM p-NQ에서, 피크 전류는 77.6 μA로부터 135.5 μA까지, 또는 약 75%만큼 증가하였다. 이는, BQ 및 p-NQ의 단일부가물 이가음이온의 형성이 전극 표면의 경계 층 내의 이들의 세미퀴논의 농도에 따라 달라졌음을 나타내었다.

도 13a-13b는, BQ 및 p-NQ에 대한 볼타모그램이, 상호작용하는 이가음이온 퀴논과 CO₂의 생성물로부터의 전자 추출로 인해 2개의 산화 파를 드러내었음을 보여주고, 이는 2개의 산화 전위에서의 2개의 상이한 산화 메커니즘에 상응한다. 이들은 도 13a-13b의 하향 화살표에 의해 나타난다. 제1 산화 파는 CO₂ 단일부가물에 기인하였고, 보다 덜 음의 전위에서 나타난 제2의 것은 이중부가물의 산화 과정에 기인하였다. BQ의 경우, 단일부가물의 애노드 피크 전류가 -0.83 V에서 관찰되었으며, 이중부가물의 애노드 피크 전류는 -0.32 V에서 관찰되었다. p-NQ의 경우, 단일부가물 산화 과정의 애노드 피크 전류는 -1.01 V에서 관찰되었으며, 이중부가물의 애노드 피크 전류는 -0.50 V에서 관찰되었다.

p-나프토퀴논 전기화학 및 후속되는 CO ₂ 의 부가의 기계론적 분석

전기화학-유도된 환원성 CO₂ 부가의 메커니즘을 보다 충분히 이해하기 위해 p-NQ에 대하여 심층 기계론적 분석을 수행하였다. 이는 밸런스를 N₂로 하여 증가하는 CO₂의 농도 하에 p-NQ의 CV를 연구함으로써 수행되었다. 도 14는 유리질 탄소 작동 전극을 사용하여 500 mV/s의 스캔 속도에서 증가하는 농도의 CO₂ 기체 (N₂ 밸런스로)로 포화된 DMF 중 0.1 M [n-Bu₄N]PF₆ 중의 5 mM p-나프토퀴논 (p-NQ) 용액의 순환 전압전류법을 나타낸다. 도 14에서의 CV는, 매우 저농도의 CO₂에서 새로운 피크의 출현 및 다른 것들의 약화의 명백한 경향이 존재함을 보여준다. 하기 논의는 지속적으로 도 14를 참조하며, 열역학적 및 동역학적 현상을 통해 관찰된 주요 특징을 설명한다.

도 14에서의 CV로부터의 첫번째 주요 관찰은, CO₂의 존재 하에, 두 환원 화학종, 세미퀴논 NQ^·- 및 퀴놀 이가음이온 NQ^2-의 거동의 큰 차이이다. NQ^·-가 생성되는 제1 환원의 캐소드 피크는 CO₂의 농도 증가에 따라 단지 약간 감소하는 강도를 가지며, 이는 CO₂로의 비교적 약한 평형을 나타내었다.

이 평형으로부터 유래된 세미퀴논 단일부가물은, 나프토퀴논 방향족 고리의 컨쥬게이션으로부터 새로 부가된 카르복실레이트 모이어티의 컨쥬게이션 (이는 새로 형성된 σ-결합을 통해 분자의 나머지의 컨쥬게이션으로부터 단리됨)으로의 제1 환원 파 이동에서 획득된 전자의 밀도를 갖는다. 이는 방향족 고리의 상대적 중성화를 야기하고, 이는 이제 더 큰 양의 값의 전위, 즉 제1 환원 전위 또는 그의 몇 10 mV에서 제2 전자를 획득할 수 있다 (도 13b 및 도 14에서의 100% CO₂ CV에서 나타남). 이는 주로 전극 계면에서의 퀴논의 환원이 전극으로부터 방향족 컨쥬게이트 시스템으로의 전자 전달을 통해 일어나기 때문인 것으로 믿어진다.

저농도의 CO₂ (도 14에서 0.5 및 1.0% CO₂ CV)에서, 세미퀴논 단일부가물 형성 반응에서 정반응의 속도는 비교적 느리고, 제1 및 제2 환원 파 사이의 캐소드 피크는 제2 환원 파에 보다 가깝게 나타났다. CO₂의 농도 증가에 따라 (20 및 100% CO₂ CV), 이 피크는 보다 양으로 이동하였고, 100% CO₂의 경우에는 제1 환원 파의 캐소드 피크와 합쳐졌고, 이는 컨볼루션 효과로 인해 피크 위치 이동을 야기한다. 이 피크는 본질적으로 동역학적 효과에 의해 야기되는 것으로 믿어진다: 전극 부근에서 제1 환원 파에서 NQ^·-가 형성됨에 따라, 이는 전극의 확산 층 내의 CO₂와 반응하여 세미퀴논 이중부가물을 형성하고, 이는 또한 더 큰 양의 값의 환원 전위에서 제2 전자를 수용할 수 있다. 그러나 CV의 음의 (캐소드) 스윕 동안, 유리질 탄소 전극은 점점 더 음의 전위, 또한 그에 따라 점점 더 큰 과전위, η를 얻으며, 여기서 η=E _적용 - E _평형 이고, E _평형 은 네른스트(Nernst) 식으로부터 얻어진다. 이는 버틀러-볼머(Butler-Volmer) 식,

에 따라 세미퀴논 단일부가물의 제2 환원의 동역학을 구동하며, 여기서 i는 패러데이 전기화학 반응, 즉 세미퀴논 단일부가물의 환원과 관련된 전류이고, 이는 수송 저항, 즉 전극 확산 층 내의 반응물의 고갈에 의해 상쇄될 때까지 기하급수적으로 증가한다. 이는, p-NQ의 2개의 환원 파에 상응하는, 2개의 열역학적 캐소드 피크 사이에서의 동역학적 캐소드 피크의 출현을 초래하는 것으로 믿어진다.

도 14에서의 2개의 환원 피크 사이의 피크의 위치는, 전해질 중에 용해된 CO₂의 농도에 따라 달라지는 세미퀴논의 화학적 형성 속도 (2분자 반응의 속도 r=k[NQ^·-][CO₂])와 이가음이온 단일부가물로의 세미퀴논 단일부가물의 전기화학적 환원 속도 사이의 경쟁에 의해 엄격히 결정된다고 믿어진다. 2분자 반응에 대한 속도 상수는 k~25 M^-1s^-1로 추정되고, 이는 CV의 조건 및 20% CO₂에서 ~ 5 x 10^-3 M s^-1의 세미퀴논 단일부가물 형성의 속도를 제공한다. 이 피크의 위치에 대한 스캔 속도 의존성을 도 15에서 볼 수 있고, 이는 유리질 탄소 작동 전극을 사용하여 상이한 스캔 속도에서 20% CO₂ (N₂ 밸런스로)에서 포화된 DMF 중 0.1 M [n-Bu₄N]PF₆ 중의 5 mM p-나프토퀴논 (p-NQ) 용액의 순환 전압전류법을 나타낸다. 도 15에서, 낮은 스캔 속도 50 - 100 mV/s에서, 피크는 제1 환원 파의 캐소드 피크와 합쳐지지만, 보다 높은 스캔 속도에서, 이는 화학 반응의 시간 상수 초과인 것으로 믿어지며, 제2 피크가 출현하고 제1 피크로부터 음으로 더욱 멀리 이동한다. 이 피크의 강도는 또한 제1 환원 파에 비해 증가하는데, 이는 화학 반응이 일어난 후에만 일어나는 전기화학 반응이 보다 큰 과전위에서 발생하기 때문이다. 2개의 캐소드 피크 사이의 전압 거리는 화학 반응이 진행되기 위해 필요한 시간에 상응한다.

이가음이온 이중부가물의 제2 화학 반응은 예상과 같이 진행되고, 이가음이온 이중부가물의 열역학적 안정화를 크게 넘어 전기화학적 거동에 기여하지 않는다.

파라- vs 오르토- 퀴논의 입체 효과

퀴논은 2개의 이성질체 형태, 1,4-시클로헥사디엔디온 (파라-퀴논) 및 1,2-시클로헥사디엔디온 (오르토-퀴논)으로 존재한다. 상기 논의는 파라-퀴논의 이가음이온과 CO₂의 회합에 초점을 두었다. 2개의 오르토-퀴논, AQ의 이성질체 형태인 PQ, 및 p-NQ의 이성질체 형태인 o-NQ와의 CO₂ 회합이 평가된다. 희석 수용액 중에서, 탈양성자화된 히드로벤조퀴논 (pK_b = 3.65)은 탈양성자화된 카테콜 (pK_b = 4.15)보다 더 염기성이고; 따라서, 오르토-퀴논의 이가음이온은 파라-퀴논의 것들보다 덜 염기성일 것으로 믿어졌다. 도 16a-16b는, 4 mM (좌측) 및 20 mM (우측)의 퀴논 농도에서, 백금 전극을 사용한 100 mV/s의 스캔 속도에서의 N₂ 또는 CO₂로 포화된 DMF 중 0.1 M [n-Bu₄N]PF₆의 용액 중의 9,10-페난트렌퀴논 (PQ) (도 16a) 및 o-나프토퀴논 (o-NQ) (도 16b)의 순환 전압전류법을 나타낸다. 도 16a-16b에 나타낸 바와 같이, 질소로 포화된 DMF 전해질 용액 중에서, PQ는 각각 세미퀴논 및 이가음이온 퀴논의 형성에 상응하는 2개의 전형적인 전기화학 파를 나타내었다. PQ와의 제1 전자 전달에 대한 1/2-파 전위가 -1.09 V에서, 또한 제2의 것이 약 0.87 V의 분리로 -1.96 V에서 나타났다. 이 값은 약 0.75 V의 AQ에서 관찰된 1/2-파 전위의 분리보다 더 컸다. 유사하게, o-NQ의 전위 분리, 약 0.89 V는 p-NQ의 것, 0.87 V보다 약간 더 넓었다. 오르토-퀴논에서의 보다 큰 전위 분리는 보다 큰 정전기 척력을 겪는 C₁ 및 C₂ 위치에서의 2개의 산소음이온의 가까운 근접에 기인하는 것으로 믿어진다.

PQ를 함유하는 DMF 용액에 대한 CO₂의 첨가는 제1 전자 전달의 피크 전류의 큰 증가 및 제2 전자 전달에 대한 환원 파의 소실을 제공하였고 (도 16a), 이는 여전히 CO₂ 대기 하에 제2 전자 전달로 인한 환원 파에서 숄더를 나타낸, AQ에 대한 순환 볼타모그램에서 관찰된 경향 (도 12c)과 현저히 상이한 것이다. 이들 결과는 PQ가 AQ의 경우보다 CO₂와 더 강한 회합을 가짐을 시사한다. 제1 전자 전달의 PQ 피크 전류의 증가는 제1 환원 파에서의 2개의 연이은 전자 전달에 기인하였다. o-NQ를 함유하는 DMF 용액에 대한 CO₂의 첨가 또한, 제1 전자 전달의 피크 전류의 현저한 증가를 제공하였고, 제2 전자 전달의 별도의 환원 파는 관찰되지 않았다 (도 16b). 4 mM의 PQ 농도에서 (도 16), CO₂의 첨가는 제1 전자 전달의 피크 전류를 22 μA로부터 39 μA까지, 즉, 약 77%만큼 증가시켰다. 20 mM의 PQ 농도에서 (도 16b), 전류의 백분율 증가는 71%로 강하하였다. 퀴논 농도 증가에 따른 전류 증가의 백분율의 보다 현저한 강하가 o-NQ에서 관찰되었다. 4 mM 농도에서 (도 16b), 백분율 피크 전류 증가는 약 93%였지만, 20 mM 농도에서, 백분율 피크 전류 증가는 단지 약 84%였다. 파라-퀴논에 대해 얻어진 결과로부터의 퀴논 농도 증가에 따른 피크 전류 증가의 경향 차이는 CO₂ 결합의 상이한 메커니즘을 시사하였다. 오르토-퀴논에서, 퀴논에 대한 CO₂의 상대적 농도 비율과 피크 전류 증가의 선형 의존성은 전자 전달, 이어서 화학적 단계, 이어서 전자 전달 (ECE)의 메커니즘을 시사하였다. 이후에 CO₂와 착물화되는 세미퀴논을 형성하는 중성 퀴논의 초기 1-전자 환원에 의해 카르보네이트 착물이 형성되었다. 이 중간체 착물은 즉시, 이가음이온 퀴논의 모노(카르보네이트)를 형성하는 전극에 가깝게 근접한 제2의 1-전자 환원을 겪는다고 믿어진다. CO₂와의 세미퀴논의 착물화는, 전해질이 CO₂로 포화되었을 때 제1 전자 전달의 소폭의 양의 이동에 의해 확인되었다. o-NQ에 대한 양의 이동은 약 38 mV였고, PQ에 대해서는 약 14 mV였다.

상기에서 관찰 및 논의된 바와 같이, CO₂로 포화된 DMF 전해질 중에서의 PQ 및 o-NQ의 볼타모그램은 각각 CO₂ 단일부가물 및 이중부가물의 산화에 상응하는 2개의 산화 파를 나타내었다 (도 16a-16b). 이들 산화 파의 상대적 피크 전류는 각각의 산화 과정을 겪은 전극 표면 상의 확산 층 내의 이가음이온 퀴논-CO₂ 착물의 분율에 대한 지시를 제공한다. 1 bar의 CO₂ 압력에서의 DMF 전해질 용액 중의 용해된 CO₂의 농도는 약 0.175 M, 또는 4 mM의 퀴논 농도의 대략 44배이다. 동일한 CO₂ 농도에서, 20 mM의 퀴논 로딩에서, 퀴논에 대한 용해된 CO₂의 상대적 농도는 8.75였다. 상대적 CO₂ 농도가 증가함에 따라, 평형 위치는 CO₂-이가음이온 퀴논 이중부가물의 해리에 불리하도록 이동하였고, 따라서 두 산화의 상대적 피크 전류는 20 mM 퀴논 용액보다 4 mM에서 더 낮았다 (도 16에 나타냄).

본 실시예에 기재된 실험은 비교적 양의 전위에서의 이산화탄소와 특정 전기활성 화학종 (예를 들어, 특정 세미퀴논) 사이의 반응성을 입증한다. 상기에 기재된 바와 같이, 기재된 특정 전기활성 화학종 (예를 들어, 강하게 착물화되는 임의로 치환된 퀴논)의 전기화학 전지 내로의 혼입은, 본 개시내용의 통찰 및 지침 하에, O₂ 등의 다른 화학종과의 전기화학적으로 매개된 반응성은 비교적 적게 나타나는 (나타나지 않는) 조건 하에 이산화탄소의 전기화학적으로 매개된 포집을 촉진시킨다.

본 발명의 여러 실시양태가 본원에 기재되고 예시되었지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자는 본원에 기재된 기능을 수행하고/거나 결고 및/또는 이점 중 하나 이상을 얻기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 쉽게 구상할 것이며, 이러한 변화 및 변경 각각은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 관련 기술분야의 통상의 기술자는, 본원에 기재된 모든 파라미터, 치수, 물질, 및 구성이 예시적인 것으로 의도됨을, 또한 실제 파라미터, 치수, 물질, 및/또는 구성은 본 발명의 교시내용이 사용되는 구체적 응용 또는 응용들에 따라 달라질 것임을 쉽게 인지할 것이다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는, 단지 일상적 실험을 사용하여 본원에 기재된 본 발명의 구체적 실시양태의 많은 등가물을 확인할 수 있거나 이를 인식할 것이다. 따라서, 상기 실시양태는 단지 예로서 제시되는 것임을, 또한 첨부된 청구범위 및 그의 등가물의 범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 기재되고 청구된 것과 다른 방식으로 실시될 수 있음을 이해하여야 한다. 본 발명은 본원에 기재된 각각의 개별적 특징, 시스템, 물품, 물질, 및/또는 방법에 관한 것이다. 추가로, 둘 이상의 이러한 특징, 시스템, 물품, 물질, 및/또는 방법의 임의의 조합도, 이러한 특징, 시스템, 물품, 물질, 및/또는 방법이 서로 상충되지 않는다면, 본 발명의 범위 내에 포함된다.

명세서 및 청구범위에서 본원에서 사용되는 바와 같이, 어구 "적어도 일부"는 일부 또는 전부를 의미한다. "적어도 일부"는, 특정 실시양태에 따르면, 적어도 1 wt%, 적어도 2 wt%, 적어도 5 wt%, 적어도 10 wt%, 적어도 25 wt%, 적어도 50 wt%, 적어도 75 wt%, 적어도 90 wt%, 적어도 95 wt%, 또는 적어도 99 wt%, 및/또는, 특정 실시양태에서, 최대 100 wt%를 의미할 수 있다. "적어도 일부"는, 특정 실시양태에 따르면, 적어도 1 vol%, 적어도 2 vol%, 적어도 5 vol%, 적어도 10 vol%, 적어도 25 vol%, 적어도 50 vol%, 적어도 75 vol%, 적어도 90 vol%, 적어도 95 vol%, 또는 적어도 99 vol%, 및/또는, 특정 실시양태에서, 최대 100 vol%를 의미할 수 있다. "적어도 일부"는, 특정 실시양태에 따르면, 적어도 1 mol%, 적어도 2 mol%, 적어도 5 mol%, 적어도 10 mol%, 적어도 25 mol%, 적어도 50 mol%, 적어도 75 mol%, 적어도 90 mol%, 적어도 95 mol%, 또는 적어도 99 mol%, 및/또는, 특정 실시양태에서, 최대 100 mol%를 의미할 수 있다.

단수형은, 명세서 및 청구범위에서 본원에서 사용되는 바와 같이, 명백히 달리 지시되지 않는다면, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

어구 "및/또는"은, 명세서 및 청구범위에서 본원에서 사용되는 바와 같이, 이렇게 결합된 요소, 즉, 일부 경우에는 결합되어 존재하고 다른 경우에는 분리되어 존재하는 요소 중 "한쪽 또는 양쪽 모두"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는" 조항에 의해 구체적으로 식별된 요소 이외의 다른 요소가, 명백히 달리 지시되지 않는다면 구체적으로 식별된 요소들과 관련되든 관련되지 않든, 임의로 존재할 수 있다. 따라서, 비-제한적 예로서, "A 및/또는 B"의 언급은, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용되는 경우, 하나의 실시양태에서는, B (임의로 B 이외의 요소 포함) 없이 A를; 또 다른 실시양태에서는, A (임의로 A 이외의 요소 포함) 없이 B를; 또한 또 다른 실시양태에서는, A 및 B 둘 다 (임의로 다른 요소 포함); 등을 지칭할 수 있다.

명세서 및 청구범위에서 본원에서 사용되는 바와 같이, "또는"은 상기에 정의된 바와 같은 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록에서 항목 분리 시, "또는" 또는 "및/또는"은 포함적인 것으로, 즉, 많은 요소 또는 요소의 목록 중 적어도 하나 (또한 하나 초과 포함), 및 임의로, 추가의 열거되지 않은 항목의 포함으로 해석될 것이다. "중 단지 하나" 또는 "중 정확히 하나"와 같은, 단지 명백히 달리 지시하는 용어, 또는 청구범위에서 사용 시, "로 이루어진"은, 많은 요소 또는 요소의 목록 중 정확히 하나의 요소의 포함을 지칭할 것이다. 일반적으로, 용어 "또는"은 본원에서 사용되는 바와 같이 단지, "중 한쪽", "중 하나", "중 단지 하나", 또는 "중 정확히 하나"와 같은 배타성 용어가 후속될 때 배타적 대안 (즉, "하나 또는 다른 하나, 그러나 둘 다는 아님")을 지시하는 것으로 해석될 것이다. "로 본질적으로 이루어진"은, 청구범위에서 사용 시, 특허법 분야에서 사용되는 바와 같은 그의 통상적 의미를 가질 것이다.

명세서 및 청구범위에서 본원에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소의 목록과 관련하여 어구 "적어도 하나의"는, 요소의 목록에서 요소 중 임의의 하나 이상으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하나, 요소의 목록 내에 구체적으로 열거된 각각의 및 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하지는 않으며, 요소의 목록에서 요소의 임의의 조합을 배제하지 않음을 이해하여야 한다. 이 정의는 또한, 어구 "적어도 하나의"가 지칭하는 요소의 목록에서 구체적으로 식별된 요소 이외의 요소가, 구체적으로 식별된 요소들과 관련되든 관련되지 않든, 임의로 존재할 수 있음을 허용한다. 따라서, 비-제한적 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나" (또는, 동등하게, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는, 동등하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 하나의 실시양태에서는, B (또한 임의로 B 이외의 요소 포함)의 부재 하에 적어도 하나 (임의로 하나 초과 포함)의 A; 또 다른 실시양태에서는, A (또한 임의로 A 이외의 요소 포함)의 부재 하에 적어도 하나 (임의로 하나 초과 포함)의 B; 또한 또 다른 실시양태에서는, 적어도 하나 (임의로 하나 초과 포함)의 A, 및 적어도 하나 (임의로 하나 초과 포함)의 B (또한 임의로 다른 요소 포함); 등을 지칭할 수 있다.

청구범위에서, 뿐만 아니라 상기 명세서에서, 모든 전환 어구, 예컨대 "포함하는", "포함한", "가지는", "갖는", "함유하는", "수반하는", "보유하는" 등은 개방형인 것으로, 즉, 포함하나 제한되지는 않음을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 단지 전환 어구 "로 이루어진" 및 "로 본질적으로 이루어진"은, 미국 특허청 특허 심사 절차 매뉴얼, 섹션 2111.03에 기재된 바와 같이, 각각 폐쇄형 또는 반폐쇄형 전환 어구이다.

Claims (102)

1. 하기를 포함하는 전기화학 전지로서:
   제1 전기활성 화학종을 포함하는 음극;
   양극; 및
   음극과 양극 사이의 세퍼레이터로서, 전도성 액체를 함유할 수 있는 세퍼레이터;
   여기서 제1 전기활성 화학종은,
   산화 상태; 및
   화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태
   를 갖는 것인 전기화학 전지.
2. 하기를 포함하는 전기화학 전지로서:
   음극 상에 고정화된 제1 전기활성 화학종을 포함하는 음극; 및
   양극;
   여기서 제1 전기활성 화학종은,
   산화 상태; 및
   화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태
   를 갖는 것인 전기화학 전지.
3. 하기를 포함하는 기체 분리 시스템으로서:
   기체 유입구 및 기체 유출구와 유체 소통하는 복수의 전기화학 전지,
   여기서:
   기체 분리 시스템은 0.001 L/s 이상 및 500 L/s 이하의 기체 스트림 유량에서 0.003 kg_{표적 기체}/(kg_베드 t _b) 이상의 표적 기체의 포집에 대한 생산성을 갖도록 구성되며, 여기서 kg_베드는 베드 중량이고 t _b 는 기체 분리 시스템에 대한 돌파 시간인
   기체 분리 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 전지가 제1 전기활성 화학종을 포함하는 음극을 포함하는 것인 전기화학 전지.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이, 산화 상태, 및 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 223 K 이상의 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는 것인 전기화학 전지.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이, 산화 상태, 및 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 223 K 이상 및 573 K 이하의 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는 것인 전기화학 전지.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이, 산화 상태, 및 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 223 K 이상 및 373 K 이하의 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는 것인 전기화학 전지.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이, 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 298 K에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는 것인 전기화학 전지.
9. 제1항 및 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이 음극 상에 고정화된 것인 전기화학 전지.
10. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 음극이 제1 전기활성 화학종을 포함하는 1차 전기활성 복합체 층을 포함하는 것인 전기화학 전지.
11. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이, 산화 상태, 및 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 298 K에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는 것인 전기화학 전지.
12. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 액체 중의 제1 전기활성 화학종의 적어도 하나의 환원 상태의 생성을 위한 표준 환원 전위가 산소 기체 (O₂)와 초산화물 이온 (O₂ ^-) 사이의 상호전환을 위한 표준 환원 전위보다 더 큰 양의 값인 전기화학 전지.
13. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 액체 중의 제1 전기활성 화학종의 적어도 하나의 환원 상태의 생성을 위한 표준 환원 전위가 초산화물 (O₂ ^-)과 과산화물 (O₂ ^2-) 사이의 상호전환을 위한 표준 환원 전위보다 더 큰 양의 값인 전기화학 전지.
14. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이 음극 상에 고정화된 중합체 물질의 부분인 전기화학 전지.
15. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이 임의로 치환된 퀴논을 포함하는 것인 전기화학 전지.
16. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이 화학식 (IA) 및 (IB)로부터 선택된 구조 중 하나 이상을 포함하며:
    

    

    
    여기서 R¹, R², R³, 및 R⁴는 동일하거나 상이할 수 있고, 수소, 할로, 히드록실, 카르복실레이트/카르복실산, 술포네이트/술폰산, 알킬술포네이트/알킬술폰산, 포스포네이트/포스폰산, 알킬포스포네이트/알킬포스폰산, 아실, 아미노, 아미도, 4급 암모늄, 분지형 또는 비분지형 알킬, 헤테로알킬, 알콕시, 글리콕시, 폴리알킬렌글리콕시, 이미노, 폴리이미노, 분지형 또는 비분지형 알케닐, 분지형 또는 비분지형 알키닐, 아릴, 헤테로아릴, 헤테로시클릴, 니트로, 니트릴, 티일, 및/또는 카르보닐 기 (이들 중 임의의 것은 임의로 치환됨)일 수 있고/거나 R¹-R⁴ 중 임의의 2개의 인접 기가 함께 연결되어 임의로 치환된 고리를 형성할 수 있는 것인
    전기화학 전지.
17. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이 페난트렌퀴논 에스테르 (PQ-에스테르), 아이오도-페난트렌퀴논 (PQ-I), 디-아이오도-페난트렌퀴논 (PQ-I₂), 페난트렌퀴논 (PQ), 오르토-나프토퀴논 (o-NQ), 디메틸-파라-나프토퀴논 (p-NQ-Me₂), 파라-나프토퀴논 (p-NQ), 디-tert-부틸-벤조퀴논 (TBQ), 및 벤조퀴논 (BQ) 중 하나 이상을 포함하고, 그의 구조는 하기에 제시되며:
    

    

    
    여기서 R⁵는 임의로 치환된 분지형 또는 비분지형 C1-C18 알킬인
    전기화학 전지.
18. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 음극이 기체 투과성 층을 포함하는 것인 전기화학 전지.
19. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 음극이 다공성인 전기화학 전지.
20. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 전지가 음극과 양극 사이의 세퍼레이터를 포함하며, 세퍼레이터는 전도성 액체를 함유할 수 있는 것인 전기화학 전지.
21. 제20항에 있어서, 세퍼레이터가 전도성 액체를 함유하는 것인 전기화학 전지.
22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 세퍼레이터가 전도성 액체로 포화된 것인 전기화학 전지.
23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 액체가 비-휘발성 전해질을 포함하는 것인 전기화학 전지.
24. 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 액체가 실온 이온성 액체를 포함하는 것인 전기화학 전지.
25. 제24항에 있어서, 실온 이온성 액체가 양이온 구성요소로서 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 (Bmim)를 포함하는 것인 전기화학 전지.
26. 제24항 또는 제25항에 있어서, 실온 이온성 액체가 음이온 구성요소로서 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 (TF₂N)를 포함하는 것인 전기화학 전지.
27. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 양극이 제2 전기활성 화학종을 포함하는 것인 전기화학 전지.
28. 제27항에 있어서, 양극이 기체 투과성 층 및 제2 전기활성 화학종을 포함하는 상보적 전기활성 복합체 층을 포함하는 것인 전기화학 전지.
29. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 음극이 제1 음극이고, 전기화학 전지가
    제1 전기활성 화학종을 포함하는 제2 음극; 및
    양극과 제2 음극 사이의 전도성 액체로 포화될 수 있는 제2 세퍼레이터
    를 추가로 포함하는 것인 전기화학 전지.
30. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 양극이 제1 음극을 향하는 제1 상보적 전기활성 복합체 층과 제2 음극을 향하는 제2 상보적 전기활성 복합체 층 사이의 기판을 포함하는 것인 전기화학 전지.
31. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 전기활성 화학종이 산화환원-활성 중합체를 포함하는 것인 전기화학 전지.
32. 제31항에 있어서, 산화환원-활성 중합체가 폴리비닐 페로센을 포함하는 것인 전기화학 전지.
33. 제27항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 전기활성 화학종이 층간삽입 화합물을 포함하는 것인 전기화학 전지.
34. 제33항에 있어서, 층간삽입 화합물이 리튬 철 포스페이트 (LiFePO₄)를 포함하는 것인 전기화학 전지.
35. 제10항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 1차 전기활성 복합체 층이 탄소질 물질을 포함하는 것인 전기화학 전지.
36. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 표적 기체가 이산화탄소를 포함하는 것인 전기화학 전지.
37. 기체 유입구 및 기체 유출구와 유체 소통하는 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제36항 중 어느 한 항의 복수의 전기화학 전지를 포함하는 기체 분리 시스템.
38. 제37항에 있어서, 0.001 L/s 이상 및 500 L/s 이하의 기체 스트림 유량에서 0.003 kg_{표적 기체}/(kg_베드 t _b) 이상의 표적 기체의 포집에 대한 생산성을 갖도록 구성되며, 여기서 kg_베드는 베드 중량이고 t _b 는 기체 분리 시스템에 대한 돌파 시간인 기체 분리 시스템.
39. 제3항 및 제37항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 0.001 L/s 이상 및 500 L/s 이하의 기체 스트림 유량에서 0.05 kg_{표적 기체}/(kg_베드 t _b) 이하의 표적 기체의 포집에 대한 생산성을 갖도록 구성된 기체 분리 시스템.
40. 제3항 및 제37항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 스트림 유량이 시스템 내의 음극 면적 100 cm²당 유량인 기체 분리 시스템.
41. 제3항 및 제37항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 스트림 유량이 시스템 내의 복수의 전기화학 전지의 10개의 전기화학 전지당 유량인 기체 분리 시스템.
42. 제3항 및 제37항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 전기화학 전지가 전기적으로 병렬로 연결된 것인 기체 분리 시스템.
43. 제3항 및 제37항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 전기화학 전지가 전기적으로 직렬로 연결된 것인 기체 분리 시스템.
44. 제3항 및 제37항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 전기화학 전지의 적어도 일부 사이에 유동장이 존재하는 것인 기체 분리 시스템.
45. 제43항 또는 제44항에 있어서, 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 전기화학 전지의 제1 전기화학 전지 및 제2 전기화학 전지가 제1 전기화학 전지와 제2 전기화학 전지 사이의 하나 이상의 전기 전도성 물질을 통해 전기적으로 연결된 것인 기체 분리 시스템.
46. 제45항에 있어서, 하나 이상의 전기 전도성 물질이 바이폴라 플레이트를 포함하는 것인 기체 분리 시스템.
47. 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항의 전기화학 전지에 걸쳐 전위차를 적용하고;
    기체 혼합물을 전기화학 전지에 노출시키고;
    표적 기체의 적어도 일부를 제1 전기활성 화학종에 결합시켜 기체 혼합물보다 더 적은 양의 표적 기체를 갖는 처리된 기체 혼합물을 생성하는 것
    을 포함하는 적어도 부분적 기체 분리 방법.
48. 제3항 및 제37항 내지 제46항 중 어느 한 항의 기체 분리 시스템 내의 복수의 전기화학 전지 중 하나 이상의 전기화학 전지에 걸쳐 전위차를 적용하고;
    기체 혼합물을 하나 이상의 전기화학 전지에 노출시키고;
    표적 기체의 적어도 일부를 제1 전기활성 화학종에 결합시켜 기체 혼합물보다 더 적은 양의 표적 기체를 갖는 처리된 기체 혼합물을 생성하는 것
    을 포함하는 적어도 부분적 기체 분리 방법.
49. 전기화학 전지에 걸쳐 전위차를 적용하고;
    표적 기체를 포함하는 기체 혼합물을 전기화학 전지에 노출시키고;
    제1 전위차의 적용 동안 및/또는 후에 기체 혼합물로부터 소정량의 표적 기체를 제거하는 것
    을 포함하며, 여기서 부피 퍼센트 기준으로 기체 혼합물 중에 존재하는 임의의 산소 기체 (O₂)의 0.1% 이하가 기체 혼합물로부터 제거되는 것인
    적어도 부분적 기체 분리 방법.
50. 전기화학 전지에 걸쳐 제1 전위차를 적용하고;
    표적 기체를 포함하는 제1 양의 입력 기체 혼합물을 전기화학 전지에 노출시키고;
    제1 전위차의 적용 동안 및/또는 후에 표적 기체의 적어도 일부를 전기화학 전지의 전기활성 화학종과 결합시켜 제1 기체 혼합물보다 더 적은 양의 표적 기체를 갖는 제1 처리된 기체 혼합물을 생성하고;
    전기화학 전지에 걸쳐 제2 전위차를 적용하고;
    전기활성 화학종과 결합된 표적 기체의 일부 또는 전부를 방출시켜 제2 처리된 기체 혼합물을 생성하는 것
    을 포함하는 방법으로서,
    여기서, 방출 동안 및/또는 후에, 방법은
    (a) 전기화학 전지를 통해 제2 기체를 유동시켜 전기화학 전지로부터 방출 표적 기체의 적어도 일부 또는 전부를 제거하고/거나,
    (b) 전기화학 전지에 진공 조건을 적용하여 전기화학 전지로부터 방출 표적 기체의 적어도 일부 또는 전부를 제거하는 것
    을 추가로 포함하는 것인 방법.
51. 제49항 또는 제50항에 있어서, 표적 기체가 이산화탄소를 포함하는 것인 방법.
52. 제49항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 표적 기체 농도가 5,000 ppm 이하인 방법.
53. 제49항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서, 표적 기체 농도가 500 ppm 이하인 방법.
54. 제49항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 혼합물이 산소 기체 (O₂)를 포함하는 것인 방법.
55. 제49항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서, 산소 기체 (O₂)가 0 vol% 이상 또는 10 vol% 이상의 농도로 기체 혼합물 중에 존재하는 것인 방법.
56. 제49항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서, 산소 기체 (O₂)가 실질적으로 100 vol% 이하, 50 vol% 이하, 25 vol% 이하, 또는 21 vol% 이하의 농도로 기체 혼합물 중에 존재하는 것인 방법.
57. 제49항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, O₂ 기체가 기체 혼합물로부터 제거되지 않는 것인 방법.
58. 제49항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서, 소정량의 산소 기체가 기체 혼합물로부터 제거되며, 여기서 제거된 표적 기체의 양 대 제거된 산소 기체의 양의 비율은 10:1 이상인 방법.
59. 제49항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 혼합물이 0-100%의 상대 습도를 갖는 것인 방법.
60. 제49항 내지 제59항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 혼합물이 주변 공기, 폐쇄된 공간 내의 공기, 부분적 환기 공간 내의 공기 중 하나인 방법.
61. 제49항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 혼합물이 자동차 캐빈, 유인 잠수정, 또는 항공기 중 하나 내의 공기인 방법.
62. 제49항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서, 방출 동안 및/또는 후에, 제2 기체를 전기화학 전지를 통해 유동시켜 전기화학 전지로부터 방출 표적 기체의 적어도 일부 또는 전부를 제거하는 것인 방법.
63. 제50항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 기체가 불활성 기체인 방법.
64. 제50항 내지 제63항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 기체가 캐리어 기체인 방법.
65. 제50항 내지 제62항 및 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 기체가 실질적으로 순수한 CO₂인 방법.
66. 제50항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 기체가 스팀을 포함하는 것인 방법.
67. 제50항 내지 제66항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 기체가 기체 혼합물의 제2 부분인 방법.
68. 제49항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 전지가 제1 전기활성 화학종을 포함하고, 표적 기체의 하나 초과의 베드 부피가 제1 전기활성 화학종에 결합하는 것인 방법.
69. 제68항에 있어서, 표적 기체의 하나 초과의 베드 부피가 제1 전기활성 화학종으로부터 방출되는 것인 방법.
70. 제50항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서, 방출 동안 및/또는 후에 진공 조건을 전기화학 전지에 적용하여 전기화학 전지로부터 방출 표적 기체의 적어도 일부 또는 전부를 제거하는 것인 방법.
71. 제49항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 전지가 제1 전기활성 화학종을 포함하는 음극을 포함하는 것인 방법.
72. 제71항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이, 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 298 K에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는 것인 방법.
73. 제71항 또는 제72항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이 음극 상에 고정화된 것인 방법.
74. 제71항 내지 제73항 중 어느 한 항에 있어서, 음극이 제1 전기활성 화학종을 포함하는 1차 전기활성 복합체 층을 포함하는 것인 방법.
75. 제71항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이, 산화 상태, 및 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는 것인 방법.
76. 제71항 내지 제75항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이, 산화 상태, 및 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 223 K 이상 및 573 K 이하의 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는 것인 방법.
77. 제71항 내지 제76항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이, 산화 상태, 및 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 223 K 이상 및 373 K 이하의 적어도 하나의 온도에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는 것인 방법.
78. 제71항 내지 제77항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이, 산화 상태, 및 화학종이 표적 기체와 결합할 수 있지만 298 K에서 산소 (O₂)와의 반응은 열역학적으로 불리한 것인 적어도 하나의 환원 상태를 갖는 것인 방법.
79. 제71항 내지 제78항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 액체 중의 제1 전기활성 화학종의 적어도 하나의 환원 상태의 생성을 위한 표준 환원 전위가 산소 기체 (O₂)와 초산화물 이온 (O₂ ^-) 사이의 상호전환을 위한 표준 환원 전위보다 더 큰 양의 값인 방법.
80. 제71항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 액체 중의 제1 전기활성 화학종의 적어도 하나의 환원 상태의 생성을 위한 표준 환원 전위가 초산화물 (O₂ ^-)과 과산화물 (O₂ ^2-) 사이의 상호전환을 위한 표준 환원 전위보다 더 큰 양의 값인 방법.
81. 제71항 내지 제80항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이 음극 상에 고정화된 중합체 물질의 부분인 방법.
82. 제71항 내지 제81항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이 임의로 치환된 퀴논을 포함하는 것인 방법.
83. 제71항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이 화학식 (IA) 및 (IB)로부터 선택된 구조 중 하나 이상을 포함하며:
    

    

    
    여기서 R¹, R², R³, 및 R⁴는 동일하거나 상이할 수 있고, 수소, 할로, 히드록실, 카르복실레이트/카르복실산, 술포네이트/술폰산, 알킬술포네이트/알킬술폰산, 포스포네이트/포스폰산, 알킬포스포네이트/알킬포스폰산, 아실, 아미노, 아미도, 4급 암모늄, 분지형 또는 비분지형 알킬, 헤테로알킬, 알콕시, 글리콕시, 폴리알킬렌글리콕시, 이미노, 폴리이미노, 분지형 또는 비분지형 알케닐, 분지형 또는 비분지형 알키닐, 아릴, 헤테로아릴, 헤테로시클릴, 니트로, 니트릴, 티일, 및/또는 카르보닐 기 (이들 중 임의의 것은 임의로 치환됨)일 수 있고/거나 R¹-R⁴ 중 임의의 2개의 인접 기가 함께 연결되어 임의로 치환된 고리를 형성할 수 있는 것인
    방법.
84. 제71항 내지 제83항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전기활성 화학종이 페난트렌퀴논 에스테르 (PQ-에스테르), 아이오도-페난트렌퀴논 (PQ-I), 디-아이오도-페난트렌퀴논 (PQ-I₂), 페난트렌퀴논 (PQ), 오르토-나프토퀴논 (o-NQ), 디메틸-파라-나프토퀴논 (p-NQ-Me₂), 파라-나프토퀴논 (p-NQ), 디-tert-부틸-벤조퀴논 (TBQ), 및 벤조퀴논 (BQ) 중 하나 이상을 포함하며:
    

    

    
    여기서 R⁵는 임의로 치환된 분지형 또는 비분지형 C1-C18 알킬인
    방법.
85. 제71항 내지 제84항 중 어느 한 항에 있어서, 음극이 기체 투과성 층을 포함하는 것인 방법.
86. 제71항 내지 제85항 중 어느 한 항에 있어서, 음극이 다공성인 방법.
87. 제71항 내지 제86항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 전지가 음극과 양극 사이의 세퍼레이터를 포함하며, 세퍼레이터는 전도성 액체를 함유할 수 있는 것인 방법.
88. 제87항에 있어서, 세퍼레이터가 전도성 액체를 함유하는 것인 방법.
89. 제87항 또는 제88항에 있어서, 세퍼레이터가 전도성 액체로 포화된 것인 방법.
90. 제87항 내지 제89항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 액체가 비-휘발성 전해질을 포함하는 것인 방법.
91. 제87항 내지 제90항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 액체가 실온 이온성 액체를 포함하는 것인 방법.
92. 제91항에 있어서, 실온 이온성 액체가 양이온 구성요소로서 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 (Bmim)를 포함하는 것인 방법.
93. 제91항 또는 제92항에 있어서, 실온 이온성 액체가 음이온 구성요소로서 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 (TF₂N)를 포함하는 것인 방법.
94. 제49항 내지 제93항 중 어느 한 항에 있어서, 전기화학 전지가 제2 전기활성 화학종을 포함하는 양극을 포함하는 것인 방법.
95. 제49항 내지 제94항 중 어느 한 항에 있어서, 양극이 기체 투과성 층 및 제2 전기활성 화학종을 포함하는 상보적 전기활성 복합체 층을 포함하는 것인 방법.
96. 제71항 내지 제95항 중 어느 한 항에 있어서, 음극이 제1 음극이고, 전기화학 전지가
    제1 전기활성 화학종을 포함하는 제2 음극; 및
    양극과 제2 음극 사이의 전도성 액체로 포화될 수 있는 제2 세퍼레이터
    를 추가로 포함하는 것인 방법.
97. 제94항 내지 제96항 중 어느 한 항에 있어서, 양극이 제1 음극을 향하는 제1 상보적 전기활성 복합체 층과 제2 음극을 향하는 제2 상보적 전기활성 복합체 층 사이의 기판을 포함하는 것인 방법.
98. 제94항 내지 제97항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 전기활성 화학종이 산화환원-활성 중합체를 포함하는 것인 방법.
99. 제98항에 있어서, 산화환원-활성 중합체가 폴리비닐 페로센을 포함하는 것인 방법.
100. 제94항 내지 제99항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 전기활성 화학종이 층간삽입 화합물을 포함하는 것인 전기화학 전지.
101. 제100항에 있어서, 층간삽입 화합물이 리튬 철 포스페이트 (LiFePO₄)를 포함하는 것인 전기화학 전지.
102. 제74항 내지 제101항 중 어느 한 항에 있어서, 1차 전기활성 복합체 층이 탄소질 물질을 포함하는 것인 방법.

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