TW202319338A - 用於清潔化石燃料發電之負排放、大規模碳捕獲 - Google Patents

Abstract

揭示用於消除二氧化碳及捕獲固體碳之系統及方法。藉由例如自燃化石燃料之電力生產設施之流出排氣流中消除二氧化碳氣體，本文所呈現之發明性概念代表了一種環境清潔之解決方案，該解決方案永久地消除溫室氣體，同時產生捕獲之固體碳產物，其可用於各種應用，包括高級複合材料合成(例如，碳纖維、3D石墨烯)及能量儲存(例如，電池技術)。在所揭示用於消除溫室氣體之方法期間捕獲固體碳避免了與習用二氧化碳封存相關之低效率及風險。所揭示之反應器與燃化石燃料之電力生產設施同處一地(colocation)實現了一種環境有益且經濟上可行之途徑，用於自原本將釋放至地球生物圈中之二氧化碳氣體及其他溫室氣體中永久地捕獲巨量固體碳。

Description

用於清潔化石燃料發電之負排放、大規模碳捕獲

本揭示案係關於綠色電力生產技術，尤其處理二氧化碳及其他溫室氣體。更具體而言，本文所呈現之發明性概念係關於用於清潔化石燃料電力生產之高效碳捕獲(其亦得到有用的基於碳之副產物)之技術，從而導致總體負排放譜(profile)。

一種應對全球氣候變遷之途徑涉及藉由在全世界佈署空氣至二氧化碳之去除設備(air-to-carbon-dioxide removal plant)而自大氣中分離二氧化碳，且接著將該二氧化碳封存在例如深地下貯層中。為瞭解達成碳減排目標所需的規模，將需要安裝大約40,000台空氣至二氧化碳之去除設備(其對應於全世界超過40,000台或更多的燃化石燃料之發電設備)來分離由該等燃化石燃料之發電設備生成之二氧化碳。

即使該等空氣至二氧化碳之去除設備能夠以每噸幾百美元之經濟效率水準操作，與將二氧化碳移至儲存地點相關之重大問題亦使得二氧化碳封存途徑幾乎無法達成。在達成所擬議碳減排目標所需之規模上，僅對美國而言，將二氧化碳移至封存地點就需要估計65,000英里之管線。遺憾的是，地緣政治壓力使得封存途徑不切實際，即使管線成本由主權國家政府實體承擔。

因此，首先需要用於防止自燃化石燃料之發電設備處之燃燒生成的二氧化碳進入生物圈之系統及技術。本文所呈現之發明性概念在源頭上解決了與溫室氣體相關之問題，而並非試圖在該等溫室氣體釋放至生物圈中之後將其重新捕獲。

處理反應器接收流出排氣流(例如，自燃煤或燃天然氣之發電設施)。將流出排氣流引導通過高頻、大氣壓、非平衡之電漿，以分解靶分子，諸如二氧化碳、一氧化碳及未耗盡之烴。

自該等裂解分子中釋放之元素接著由電動勢控制，以維持分離，調變離子生命期，且容許氧、氮及氫原子複合成O ₂、N ₂及H ₂O。該等有利(或在氧之情況下，有益)所得氣體接著可釋放至周圍環境中或用於其他目的。

同時，碳固體經捕獲且收集用於工業及製造用途。值得注意的是，處理反應器促進電漿之調諧，使得期望種類之碳固體(例如，石墨烯)作為副產物產生。

該等碳固體副產物可直接用於多種應用，包括但不限於生產高級複合材料、工業用金剛石、碳纖維、基於碳之建築材料、聚合物及化學合成等，以及能量儲存應用、感測器技術及航太應用等等。

根據一個態樣，一種用於自二氧化碳氣體及水產生固體碳之方法包括：在反應器中接收二氧化碳及水，該反應器經組態以生成電漿；使用該電漿解離該二氧化碳及該水以形成一或多種解離物質；將該等解離物質暴露於電場，該電場經組態以促進一或多種化學反應；經由該等化學反應生成固體碳；及自該反應器輸出該固體碳。

本文以及圖式及申請專利範圍中闡述了技術態樣之態樣、目標及優點之進一步細節。

相關申請案

本申請案主張2021年8月18日提出申請且標題為「High-Efficiency Carbon Capture for Clean Fossil Fuel Power Production」之美國臨時專利申請案第63/234,322號之優先權，該臨時專利申請案之內容以引用之方式併入本文。

諸多應對氣候變遷之長期策略在很大程度上依賴於捕獲及封存燃燒化石燃料產生的巨大量二氧化碳之能力。意圖係將其永久地封存於深地下岩層中。遺憾的是，高封存成本及持續的技術不確定性意味著上述碳捕獲及儲存(CCS)策略可能不會顯著減少全球二氧化碳排放至環境中。

來自國際能源署(International Energy Agency，IEA)之最近報告警告稱，CCS之開發及部署作為防止全球平均溫度上升超過2℃之方式「嚴重滯後」。開始將CCS應用於相應減排之窗口正在「迅速縮小」，IEA已宣佈，CCS必須供應到2050年所需減排的五分之一以上，以將溫度上升保持在低於2℃。

總之，當前之封存捕獲技術每年僅封存約2000萬公噸二氧化碳。相比之下，僅美國及中國之燃煤每年就佔大約70億公噸二氧化碳排放。

為滿足2℃目標，IEA聲明，到2020年，至少應有110個發電設備及工業設施的額外項目上線——至少有足夠能力在當年捕獲並儲存2.69億公噸二氧化碳。儘管諸多大型項目正處於規劃或施工階段，但構建新的CCS項目可能需要十年以上時間。習用CCS策略呈現出「為時已晚」之罕見實例。

更糟糕的是，CCS策略之上述問題因以下事實而進一步複雜化：用於自工廠排氣或天然氣流中化學地及/或機械地分離二氧化碳之技術係昂貴的且充滿了複雜的處理物流。首先，在可掩埋氣體之前，必須將其壓縮至超臨界狀態，且接著運輸(例如，經由管線)至注入地點——該兩者皆係非常昂貴之過程。因此，CCS大大增加了電力生產價格，使其無法用作成本有效之解決方案。

關於自氣體中分離碳固體之額外細節可參見2019年2月22日提出申請且標題為「Microwave Reactor System with Gas-Solids Separation」之美國專利第10,781,103號，該專利之內容以引用之方式併入本文。

其次，傳統碳封存技術依賴於用於永久儲存所排放二氧化碳之封存地點之可用性。諸多封存地點尚未證明可行及/或尚未達到預期。舉例而言，諸多所擬議之地下封存地點遭到公眾之政治挑戰。作為另一實例，深層鹽腔(saline cavity)之滲透性極低，使得流體難以進入岩石。此外，研究顯示，在沒有觸發地震之可能性之情況下，將足夠大之體積輸送至該等腔體中係不可行的。更糟糕的是，可能發生在斷層上之地震可能會使封存之氣體逸出。

即使與保護及維持封存地點相關之技術及政治問題得到解決，現行碳捕獲/封存方法亦僅僅將CO ₂轉移至該等位點。遺憾的是，此僅僅推遲了處理超大體積之溫室氣體相及其他污染物之存在。

實際上，封存及基於電漿之固體碳捕獲之長期前景形成鮮明對比。封存成本往往隨時間而上升，例如，由於封存地點之有限可用性，以及關於碳之不斷增加之規章，但由於固體碳產品之提高之效率及轉售市場之日益成熟，因此預計基於電漿之固體碳捕獲將展現出持續的成本降低。

為了充分利用該等預計之成本降低，必須大規模部署碳捕獲。為了說明此一規模，設想在一典型夏日，大洛杉磯地區需要來自其燃化石燃料之發電設備的遠超5 GW之峰值功率。若在5 GW發電設備處實施碳捕獲，則需要大約500 MW之輸入電力以將溫室氣體解離成可捕獲之碳固體。此可使用約七個75 MW基於速調管之微波能發射器來實施。視情況，可使用更大量功率更小之微波能發射器。

所揭示技術之應用藉由將污染物質化學解構為有利組分來消除封存。此外，所揭示技術之應用藉由返回所捕獲之組成元素(例如，C及O2)以供在其他應用中使用而提供了諸多環境及經濟利益。表1給出了基於電漿之固體碳捕獲技術相對於傳統封存之進一步優勢。 表1：基於電漿之固體碳捕獲製程提供優於目前最佳技術之碳封存方法的顯著成本及環境優勢

影響	傳統封存	固體碳捕獲解決方案
長期問題	CO 2保持完整；且隨時間而可能洩漏回環境中	無負面環境影響
資本支出	高(約$200M)	低(約$20M)
對大氣之影響	氧損失	氧返回大氣
可用輸出	無	碳、氧、合成氣
輸出之市場	無	碳纖維、磚、CO
能量成本	發電設備能量輸出之10-20%	發電設備能量輸出之10-20%

一種改良之途徑(且係避免給後代留下不受歡迎之遺產之方法)係將二氧化碳及其他溫室氣體處理成固體碳，從而完全避免與傳統二氧化碳捕獲及儲存技術相關之問題。

本文揭示用於高效固體碳捕獲之高度創新之途徑。可以完全消除作為化石燃料燃燒副產物之污染排放物之方式應用各種途徑。該技術可自任何化石燃料製程(諸如由例如燃煤或燃天然氣之發電公共設施及其他大型溫室氣體生產者操作)之排氣流中捕獲及去除碳。

如上文所示，處理反應器接收流出排氣流(例如，自燃煤或燃天然氣之發電設施)。將流出排氣流引導通過高頻、大氣壓、非平衡之電漿，以分解靶分子，諸如二氧化碳、一氧化碳及未耗盡之烴。關於維持非平衡電漿之一般途徑之額外細節可參見2020年9月30日提出申請且標題為「Reactor System Coupled to an Energy Emitter Control Circuit」之美國專利第11,107,662號，該專利之內容以引用之方式併入本文。

自該等裂解分子中釋放之元素接著由電動勢控制，以維持分離，調變離子生命期，且容許氧、氮及氫原子複合成O ₂、N ₂及H ₂O。該等有利(或在氧之情況下，有益)所得氣體接著可釋放至周圍環境中或用於其他目的。

固體碳形成於電漿中。電漿係藉由將活性電極之特定佈置與經能量最佳化之電磁輻射及高強度電場相組合來生成。活性電極上形成圍繞氣流包裹之佈置，以精確地產生分解分子所需之頻率及能階。效率部分端視電極佈置於反應器中之精度以及供應給系統之能量之類型及量值而定。該等變量之控制決定了所產生之碳之形態(例如，石墨烯、碳奈米洋蔥(carbon nano-onion)、混合相石墨烯等)。

該等無污染之固體碳捕獲製程提供用於自發電設備排氣流中去除元素碳之高效手段，同時僅使用該設備所生成之電力之估計10-15%。此外，藉由將所捕獲之碳併入該等固體中，隨後釋放至大氣中之可能性極小，尤其與採用習用碳封存技術時相比更不可能。因此，當前所揭示之發明性概念代表了CCS之革命性途徑，同時亦提供了經濟上有用之副產物。 定義及圖之用途

下文定義一些用於本說明書中之術語以便於參考。所呈現之術語及其各別定義並不嚴格地侷限於該等定義，亦即，術語可藉由該術語在本揭示案內之用途來進一步定義。術語「例示性」在本文中用於意指用作實例、例項或圖解說明。在本文中闡述為「例示性」之任何態樣或設計未必應視為較其他態樣或設計為佳或有利。而是，使用措辭例示性意欲以具體方式來呈現概念。如本申請案及隨附申請專利範圍中所用，術語「或」意欲意指包括性「或」，而非排他性「或」。亦即，除非另有說明，或根據上下文顯而易見，否則「X採用A或B」意欲意指固有包括性排列中之任一者。亦即，若X採用A，X採用B，或X採用A及B二者，則在上述例項中之任一例項下皆滿足「X採用A或B」。如本文所用，A或B中之至少一者意指A中之至少一者、或B中之至少一者、或A及B二者中之至少一者。換言之，該片語係分離的。除非另有說明或根據上下文顯而易見指代單數形式，否則本申請案及隨附申請專利範圍中所用之冠詞「一(a)」及「一(an)」通常應解釋為意指「一或多者」。

本文參考圖闡述各個態樣。應注意，該等圖未必按比例繪製，且貫穿該等圖具有類似結構或功能之元件有時由相同元件符號表示。亦應注意，該等圖僅意欲促進對所揭示態樣之描述，其並不代表對所有可能態樣之窮盡處理，且其並不意欲對申請專利範圍之範疇構成任何限制。另外，所圖解說明之態樣無需描繪任何特定環境中之所有使用態樣或優點。

結合特定態樣闡述之態樣或優點未必限於該態樣且可在任何其他態樣中實踐，即使並未如此說明。在本說明書通篇中對「一些態樣」或「其他態樣」之提及係指結合該等態樣闡述之特定特徵、結構、材料或特性包括於至少一個態樣中。因此，本說明書通篇中之各處出現之片語「在一些態樣中」或「在其他態樣中」未必指代一或多個相同態樣。所揭示之態樣並不意欲限制申請專利範圍。 本發明之例示性態樣之描述

根據一個態樣，一種用於自二氧化碳氣體及水產生固體碳之方法包括：在反應器中接收二氧化碳及水，該反應器經組態以生成電漿；使用該電漿解離該二氧化碳及該水以形成一或多種解離物質；將該等解離物質暴露於電場，該電場經組態以促進一或多種化學反應；經由該等化學反應生成固體碳；及自該反應器輸出該固體碳。

根據另一個一般態樣，一種系統包括：波導，該波導包含沿第一波導之長度延伸之電漿區；微波能源，其耦合至該波導；第一流入口，其經組態以使二氧化碳氣體流入該電漿區中；及氣固分離器系統，其耦合至微波電漿反應器。該微波能源經組態以將微波能傳播至該波導中。該微波能經組態以在該電漿區內生成電漿。該電漿區內之該電漿經組態以將該二氧化碳氣體解離成複數種組分，包括氧氣及固體碳粒子。該氣固分離器(GSS)系統經組態以接收該複數種組分。

根據又一個一般態樣，一種系統包括：複數個反應室，其中每一反應室直接或間接地耦合至至少一個微波能源、至少一個放大器及至少一個容器。每一反應室包含耦合至該微波能源之波導。每一波導分別包括電漿區，該電漿區經組態以因應該微波能而生成電漿；至少一個入口，其經組態以將原材料輸送至該電漿區中；及出口，其經組態以輸出基於該原材料之粉末。

根據再一個一般態樣，一種物質組成物包括具有自使用電漿及電場解離二氧化碳及水而形成之物理特性之碳質材料。

為了說明，圖 1繪示根據一個態樣耦合至化石燃料發電設施( 發電 設施或「 設施」)之例示性負排放反應器( 碳捕獲反應器或簡稱為「 反應器」)。 反應器經組態以捕獲 設施中產生之碳，且將捕獲之碳轉化為有用之固體副產物。將 化石燃料進給至 設施中，其中燃燒反應( 燃燒)產生二氧化碳( CO ₂ )及水蒸氣( 蒸汽)以及其他產物。將經由該燃燒反應生成之能量( 電力)提供給電網( 電網)以供消耗。

將該等產物直接進給至 反應器中，且暴露於一或多種經調諧/控制之電漿(未顯示)，以產生期望之固體碳副產物( 固體碳)，諸如石墨烯( 石墨烯)、三維碳結構( 3D 碳)及/或適於例如併入建築材料、輪胎等中的更習用之基於碳之材料( 習用材料)，如熟習此項技術者在閱讀本揭示案後將會理解。

同時，根據一個不同態樣且通常端視提供給 設施或在其中燃燒之輸入物之類型而定，在 反應器中實施之反應之其他副產物包括分子氧及/或氮。較佳地，將至少一些所產生之氧( O ₂ )釋放至 生物圈中，除了僅自 化石燃料中捕獲碳之外，亦提供額外之環境益處。視情況， 反應器中產生之氧可返回至 設施，以幫助驅動更多燃料之燃燒。

設施及 反應器較佳各自包括用於防止排放物逸出之 蓋或另一機構。以此方式，除了有益之氧釋放(及/或諸如分子氮等有利產物之釋放)， 反應器亦能夠實現零排放發電。藉由經由固體碳產物以幾乎永久之形式捕獲碳，來自根據如圖 1中所示之佈置發電之總體排放為負。碳自大氣中去除且併入至不會導致隨後釋放至大氣中之產物中。

如熟習此項技術者將會瞭解，生成固體碳、尤其特定期望種類之碳產物需要遠不止將二氧化碳簡單地暴露於電漿。如先前所示，根據下文參考圖 3A-圖 3B更詳細闡述之雙反應方案，控制並調諧電漿以得到高效地將二氧化碳氣體轉化為固體碳所必需之特定條件。

圖 2係根據一個態樣之效率比較圖表 200，其顯示當反應發生在電漿反應器中時發生極高總數之轉化反應。特定而言，圖 2顯示在若干溫度下之典型馬克士威-波茲曼分佈(Maxwell-Boltzmann distribution)，該等分佈顯示粒子密度機率相對於動能(KE)之關係。已增加基於電漿之能量激發系統曲線 202，其顯示能量最佳化之基於電漿之能量激發系統之分佈。

為瞭解電漿能量曲線 202之碰撞，考慮熟知之波希反應(Bosch reaction) (在方程式1及方程式2中顯示)。波希反應係二氧化碳與氫之間之化學反應，該反應產生單質碳(石墨)、水及投入熱之10%返回。波希反應需要引入觸媒且需要530-730℃之溫度位準。第一反應(稱為水變換氣體反應(water shift-gas reaction) (方程式1))非常快，而第二反應(方程式2)很慢，因此係控制反應： CO ₂+ H ₂→ CO + H ₂O                                           方程式1 CO + H ₂→ C + H ₂O                                         方程式2

實施上述化學反應之系統已用於自太空艙之氛圍中去除二氧化碳。一種此類系統利用高溫(600℃)催化反應將二氧化碳轉化為單質碳灰及水。該系統在自大氣中去除二氧化碳方面可能非常有效，然而該等系統存在兩個關鍵缺陷：(1)實施自一氧化碳中提取單質碳之第二反應藉由形成固-固溶液(此係碳原子溶解於金屬觸媒中之冶金反應之結果)而引起催化表面積垢，從而導致系統之使用壽命受到嚴重限制；及(2)自能源成本之角度來看，引起及控制上述化學反應係非常低效的。

基於電漿之技術解決了該兩個缺陷，特定而言：(1)當使用基於電漿之技術時，無需觸媒，因此催化表面無積垢；以及(2)當使用本文所揭示之技術時，該製程之能量效率高得多。

為進一步解釋該後一點，二氧化碳轉化為單質碳之能量效率與必要化學路徑之反應速率直接相關。為理解主要效率損失機制存在於基於熱、催化熱及電漿催化之系統中何處，必須檢查每一系統之高能粒子密度及其相關能量。

如圖 2中所示，粒子參與擬發生之任何化學反應所需之活化能表示為繪示活化能之線之右側曲線下面積。如所示，主動參與0℃ (線 204)下之反應化學之粒子數為零。線 206(在1000℃下)顯示參與之粒子數仍然極低。在2000℃ (線 208)下，顯著更多之反應物處於發生反應之能量下，然而總數仍然相對較小。實際上，在區域 210a中，未發生轉化反應，且在區域 210b中，當使用熱能時，僅在由線 206及 208限定之曲線下之粒子在轉化反應化學中起作用。

如圖 2之曲線圖所示，觸媒之添加將所需活化能轉換為更小值(由虛線向左移動表示)，從而容許更多粒子參與反應過程。然而，可用高能粒子之數目仍然很少。若欲將溫度升高至極高水準(例如，幾乎熔化觸媒及系統之組分)，則甚至更多粒子將能夠參與；然而，在該等溫度下可能會出現不良反應路徑，且每一粒子之系統及能量成本將不切實際。由於每一粒子皆有能量成本，因此每單位功率輸入可用於反應之粒子愈多，系統在材料轉化方面之效率愈高。

現在，參考電漿催化曲線 202，幾乎所有粒子皆主動參與化學反應過程，提供了高效得多之過程。值得注意的是，使用電漿催化可使幾乎所有粒子皆能參與轉化化學，最終產生固體碳。另外，電漿催化無需使用單獨觸媒來降低活化能，避免與之相關之污染及消耗問題。

關於圖 3A-圖 3B顯示並討論了一種可能路徑。具體而言，圖 3A繪示根據一個態樣在電漿反應器中分子解離之後促進之化學解離及複合路徑 300a、 300b及 300c。圖 3B在單個圖形方案 310中圖解說明相同路徑 300a、 300b及 300c。

如所示，該方案藉由引導排氣流通過高頻大氣壓非平衡電漿以分解污染物分子(例如，矽烷、矽氧烷、聚矽氧烷、鎘氧化物、NO _x、SO _x、CO _x、烴等，如熟習此項技術者在閱讀本揭示案後將會理解)來操作。自該等解離分子釋放之元素接著由電動勢控制以維持解離組分之分離且促進所得物質之處置(例如，收集或釋放)。如所示，容許游離氧及氫原子複合成O2及H2O，且釋放至空氣中。(熟習此項技術者將會瞭解，當存在其他污染物分子時，可產生其他產物，諸如分子氮。)其他元素(主要為碳，但根據一些途徑亦包括硫、矽等)係作為固體捕獲，接著經收集用於諸如此前所討論之工業及製造用途。

再次參考圖 3B，電漿 302係藉由將撓性基材上之活性薄膜電極之特定佈置與經能量最佳化之電磁輻射及電場相組合來生成。該撓性材料圍繞氣流包裹，且精確地產生必要之頻率及能階用以分解分子。效率至少部分端視電極佈置於基材上之精度以及施加至系統之能量而定。

另外，較佳自系統中快速去除氧，以便避免複合且改良總體轉化效率。

下文關於將二氧化碳轉化為固體碳之效率進一步討論的圖 3A-圖 3B之重要態樣係二氧化碳直接解離成固體碳需要極大輸入能(例如大約28 eV)，但仍極低效(例如大約8.6%轉化)。因此，僅採用諸如能夠由如本文所揭示之微波反應器生成之電漿將不會產生期望的轉化率及固體碳之隨後產生。

為解決該缺點，當前闡述之發明性概念利用水(及其各種解離物質)來提供額外解離路徑及化學反應路徑以將二氧化碳(及其各種解離物質)轉化為固體碳。雖然圖 3A-圖 3G繪示了若干該等例示性路徑，但應當理解，該等路徑係出於說明目的而提供，且不應視為對本文所述發明性概念之範疇之限制。可在不背離本發明之範疇之情況下，實施熟習此項技術者在閱讀本揭示案後將理解為適宜之任何額外和/或替代之路徑。

圖 3C係顯示當調諧能量以達成高效固體碳捕獲時單一電子如何可參與多重反應的多重反應路徑圖 320。特定而言，且如所示，具有足夠高能量之單一電子可參與多重反應。

圖 3C考慮利用高能電子作為用於電漿相化學之點火劑的電漿反應器系統中之路徑。電漿相反應化學及所得產物可基於解離截面比來調諧。已對二氧化碳、水、氮及諸多其他物質實施各種電子碰撞解離實驗。

圖 3C繪示將CO ₂轉化為固體碳(C _(s))之兩種可能反應路徑。在由實線表示之第一反應路徑中，電子 e ^- 在步驟 322a中直接將CO ₂轉化為C ⁺離子，後者隨後在步驟 322b中還原為固體碳。然而，根據實驗結果，該直接路徑極為低效，且僅將大約8-10% (例如，約8.6%) CO ₂轉化為C ⁺。此外，該轉化需要大約27.8電子伏特之輸入能(或等效地，約280,000凱氏度(degrees Kelvin)之動能)。

因此，當前所揭示之發明性概念利用由圖 3C中之虛線表示之第二反應路徑。根據該路徑，電子 e ^- 首先在步驟 324a中解離CO ₂，形成CO ₂ ⁺，後者隨後在步驟 324b中轉化成經解離一氧化碳(CO ⁺)。經解離一氧化碳隨後在步驟 324c中轉化為經解離碳，後者最終在步驟 324d中還原以形成固體碳。

若碰撞電子具有大於活化能之能量，則剩餘能量將作為電子散射或再輻射。該等二次電子可具有足夠能量以在電漿化學系統內引起進一步反應，使得一個能量足夠高之電子可導致諸多狀態之解離。舉例而言，一個100 eV電子可參與三步解離過程以產生C ⁺，如圖 3C之第二反應路徑中所示。或者，電子可參與CO ₂至C ⁺之單步直接解離，如圖 3C之第一反應路徑中所示。在後一種情況下，剩餘能量可用於反應器系統中別處。對於自含有二氧化碳、水及氮之系統(諸如在化石燃料設備排氣中所發現)之碳減排及去除，在不同電子能量下存在若干路徑。在本文中參考圖 3E-圖 3G呈現關於在當前所揭示之發明性概念之背景下實施的路徑之額外細節。

如熟習此項技術者在閱讀本揭示案後將會瞭解，該等反應路徑(尤其第二反應路徑)需要一定規模之輸入能，其禁止使用熱能源，以達成CO ₂之期望解離狀態及其以期望效率向固體碳之對應轉化(例如，根據各個態樣，最高達約85%、最高達約90%、最高達約95%、最高達約98%、最高達約99%或最高達約100%之轉化效率)。

因此，在各個態樣中，當前所揭示之發明性概念採用超高頻能源，諸如一或多個磁控管、一或多個速調管，或用於生成超高頻輻射(較佳微波輻射)之任何其他適宜源，該超高頻輻射足以生成電漿，最佳特徵在於以下之電漿：大約100電子伏特(eV)之能量(此需要約1吉瓦之輸入能)，及/或約1吉赫至約5吉赫範圍內之頻率。較佳地，能源(及/或對應反應器)組態成使得能量輸出可自鏈接在一起之複數個源/反應器中累積，例如，以便促進由串聯生成之功率之放大及/或多工(multiplexing)。

舉例而言，再次考慮特徵在於大約100 eV之能量之電漿，在各個態樣中，適宜能源可包括100個1兆瓦反應器、50個2兆瓦反應器、25個4兆瓦反應器或連接在一起以輸出總共1吉瓦能量之反應器的任何其他適宜組合，以驅動電漿。在較佳態樣中，反應器可包括LYTEN®速調管反應器。當然，在替代態樣中，可使用不同組合及類型之反應器來滿足不同能量輸出要求，如熟習此項技術者在閱讀本揭示案後將會瞭解。

本文參考圖 4-圖 7B提供關於適宜能源組態(或等效地，「反應器」)之額外細節。類似地，本文參考圖 3E-圖 3G討論關於二氧化碳解離成各種物質以及關於水解離以促進圖 3C中所示之第二反應路徑之額外細節。

圖 3D顯示根據一個態樣的用於自二氧化碳及水生成固體碳之例示性解離路徑。

如圖 3D中所示，除了直接解離路徑外，亦存在二氧化碳及水之諸多多步解離路徑，該等路徑導致形成氧氣及碳固體(石墨、金剛石等)。二氧化碳最可能之解離狀態(亦即，由最大解離截面限定)係CO ₂ ⁺。若受到高能電子碰撞，則該解離狀態能夠進一步解離成C ⁺、O ⁺、CO ⁺、C ⁺⁺或O ⁺⁺。然而，雙電荷解離狀態由於極小之解離截面而可能性極低。一氧化碳解離狀態亦具有用於碳固體形成之電子碰撞解離路徑。然而，更重要的是，存在解離水(及因此氫)存在下之化學路徑，該等化學路徑為碳固體形成提供熱力學有利之路徑。 圖 3D中顯示經由經解離一氧化碳與氫之間之反應 332(產生碳固體及水)而形成碳固體之一種可能路徑。然而，該反應端視系統中氫之存在而定。就經濟成本及能源消耗而言，最佳自排氣內所含水蒸氣中生成氫氣。

因此，圖 3D圖解說明利用電子能量將二氧化碳轉化為固體碳之碰撞。如先前所述，除利用高能電漿之外，亦利用水可顯著增加轉化效率，同時亦降低必要活化能(注意圖 3D中，轉換效率增加至62.2%，而活化能降低至大約14 eV)。根據較佳態樣，藉由藉助能量控制來控制化學反應路徑，達成沈澱出碳之最佳化學反應。藉由微波電漿提供之精確控制，尤其如下文更詳細闡述，當與AC及/或(較佳脈衝) DC場組合時，使得該等能源對於達成最佳性能尤佳。關於用於控制電漿能之一般途徑之額外細節可參見2016年11月14日提出申請且標題為「Microwave Chemical Processing」之美國專利第9,812,295號，該專利之內容以引用之方式併入本文。

圖 3E繪示根據一個態樣，當將水暴露於電漿時生成之各種解離狀態及相關解離截面。更特定而言，圖 3E繪示當在電漿反應器中實施反應時之水反應路徑順序。

自圖 3E之檢查將變得顯而易見的是，水之解離可產生各種經解離物質，包括直接形成之H ₂O ⁺(具有62.5%之對應解離截面)、OH ⁺(具有19.9%之解離截面)、H ⁺(具有17.2%之解離截面)及O ⁺(具有0.33%之解離截面)。此外，如由虛線所示，該等物質可進一步複合，舉例而言，在各個態樣中，H ₂O ⁺可轉化為OH ⁺、H ⁺及/或O ⁺；在其他態樣中，OH ⁺可複合為H ⁺及/或O ⁺，從而促成每一物質之總體解離截面。

繼續參考圖 3E，路徑 342導致氫離子之直接形成，該等氫離子可用於一氧化碳之隨後還原。除了經由一氧化碳與氫氧根離子之間之反應形成COOH _(g)的熱力學路徑之外，亦存在生成氫之若干其他多步解離路徑；該COOH _(g)之熱分解再生二氧化碳及氫，如路徑 344中所示。

圖 3F繪示根據一個態樣，當將二氧化碳暴露於電漿時生成之各種解離狀態及相關解離截面。更特定而言，圖 3F繪示當在電漿反應器中實施反應時之二氧化碳反應路徑順序。

自圖 3F之檢查將變得顯而易見的是，二氧化碳之解離可產生各種經解離物質，包括直接形成之CO ₂ ⁺⁺(具有0.7%之對應解離截面)、CO ₂ ⁺(具有62.2%之解離截面)、O ⁺(具有17.7%之解離截面)、CO ⁺(具有10.8%之解離截面)及C ⁺(具有8.6%之解離截面)。此外，如由虛線所示，該等物質可進一步複合，舉例而言，在各個態樣中，CO ₂ ⁺⁺可轉化為CO ⁺及/或O ⁺；在其他態樣中，CO ₂ ⁺可複合為O ⁺、CO ⁺及/或C ⁺；且CO ⁺可生成C ⁺，從而促成每一物質之總體解離截面。

以上解離物質之截面面積係佔總截面面積之百分比相對於二氧化碳之碰撞電子能量。特定而言，若處於50 eV之電子碰撞CO ₂分子，則有62.2%之機率將產生CO ₂ ⁺。此外，該等解離狀態具有需要克服之必要活化能。在CO ₂ ⁺之情況下，該所需能量係13.8 eV，再次假設水之存在/使用促進各種解離及轉化路徑。

圖 3G係顯示根據一個態樣，當將二氧化碳、水及氮之氣體混合物暴露於電漿時其組合解離之解離路徑、電子路徑及化學反應路徑的反應圖。儘管圖 3G中未顯示，但在一些態樣中，初始解離過程亦可自存在於環境大氣中(例如，反應器內)之分子N ₂生成氮離子(N ⁺)。在各個態樣中，該等氮離子可碰撞CO ₂及/或H ₂O，促進其解離成所示之各種物質。

除了圖 3E及圖 3F中顯示之解離路徑(粗黑實線)外，圖 3G亦繪示了電子( e ^-) 如何自 微波及交流電 (AC) 場大氣電漿中流動且參與解離路徑(細實線，小箭頭)以及電子如何在該等解離路徑過程中釋放(細虛線，大箭頭)。

此外，圖 3G繪示某些解離物質參與並形成反應器之各種輸出(包括固體碳( C _(s) )、氧氣及水)之化學反應路徑(粗虛線，大箭頭)。更特定而言，經由反應 344，一氧化碳及經解離羥基(OH ⁺)可反應以形成COOH _(g)，如上文關於圖 3E所述，後者熱分解成二氧化碳及氫。氫隨後可用於還原一氧化碳以形成水及固體碳，例如，如反應 348中所示。因此，反應 346及 348代表使用水自二氧化碳氣體合成固體碳之兩步路徑。類似地，經解離水可在反應 346中與一氧化碳反應以在單一步驟中直接形成水、二氧化碳及固體碳。

如本文更詳細討論的，控制電漿之條件容許控制特定解離物質及發生的對應化學反應。本文亦揭示用於調諧電漿能量分佈以達成最佳反應路徑之系統及技術。應當理解，圖 4-圖 7B中所示及下文所討論之各種特徵、組件及佈置可以熟習此項技術者在閱讀本揭示案及查看各種圖式後將理解的任何適宜方式組合。換言之，雖然圖 4-圖 7B顯示適於調諧電漿能量分佈以達成最佳反應路徑的系統及其各種組件之若干例示性態樣，但提供該等態樣僅用於說明目的，且其各種組件本質上應視為模組化的。

如熟習此項技術者在閱讀本揭示案後將會瞭解，某些調諧參數端視電子之輸入能而定。作為一個調諧實例，電子之輸入能可源自結合微波輻射之頻率、相位及傳播模式的脈衝功率(例如，AC及/或DC場)之性質(例如，形狀、工作循環等)。因此，反應順序係可調諧的，該可調諧性提供用於高效、低成本碳去除之手段。

舉例而言，且參考圖 4，根據一個態樣，顯示微波氣體處理系統之簡化垂直截面，該系統包括具有延伸長度之電漿區 402之區域隔離反應器 400。在操作中，波導 406將微波能自 微波源引導至包括延伸長度之電漿區 402及延伸長度之餘輝區 430(在本文中亦稱為「反應區」)之反應區中。

另外，可控制延伸長度之電漿區域 404，以便於微調控制自由基之生成及/或以便於引入額外材料。特定而言，且如所示，第一組熱煙流能源 410(諸如歐姆加熱器件 412、介電加熱器件 414、聲子加熱器件 418)沿延伸長度之電漿區 402之長度定位，而第二組熱煙流能源 1023(諸如電磁能源 416及/或視情況存在之光能源(未顯示))沿延伸長度之餘輝區 430之長度定位。儘管圖 4中未顯示，但延伸長度之電漿區 402及/或延伸長度之餘輝區 430可耦合至電壓發生器，該電壓發生器經組態以生成交流電(AC)場及/或脈衝直流(DC)場，此容許對對應區之溫度之精確控制。

如所示，延伸長度之電漿區 402之長度足夠長，以便適應三個流入口 408 ₁ 、 408 ₂ 及 408 ₃ 以向反應器 400提供材料。

在使用中，根據較佳態樣，流入口 408 ₁ 及 408 ₂ 可向反應器 400提供諸如水及二氧化碳等材料。當然，可在不背離當前所揭示之發明性概念之範疇之情況下，經由流入口 408 ₁ 及 408 ₂ 提供額外或不同之材料。

根據其他態樣，第三流入口 408 ₃ 可經組態以將額外材料提供至FEWG (諸如圖 5中所示及下文中更詳細討論之FEWG 505)中。舉例而言，為了用不同化學基團(諸如氟、氧或氮)將石墨烯表面官能化，可將該等前驅物作為氣流添加至第三流入口中。亦可以此方式達成生長複合粒子。舉例而言，可藉由將SiH ₄添加至前述氣流中(諸如經由第三流入口)來達成在石墨烯奈米微片(nanoplatelet)之頂部上生長複合SiC表面。

熱煙流能源 410可為模組化的，使得各種熱煙流能源可定位於沿FEWG之任何位置。舉例而言，歐姆加熱器件 402可與電磁能源 416交換。此外，該模組化可包括向/自一或多個反應器控制器傳訊。下文闡述該組態之一個實例。

能源(諸如歐姆加熱器件 412、介電加熱器件 404、電磁能源 416、聲子加熱器件 418及/或視情況存在之光能源(未顯示))耦合至盤式反應器溫度及流量控制器(未顯示)。流量控制器進而與一組盤式反應器流量致動器耦合，該盤式反應器流量致動器耦合至流入口 408 ₁ 、 408 ₂ 及 408 ₃ 。此外，一系列溫度量測耦合至盤式反應器溫度及流量控制器，且可至少部分地基於溫度量測來控制任一或多個能源。因此，反應器內之溫度可橫跨所有區且在反應器之所有區域內控制至精細程度。此外，例如藉由調變包括工作循環及頻率在內之參數對電漿場之脈衝容許電漿場之精確控制。

根據額外態樣，諸如反應器 400等反應器使得使用微波輻射促進之大氣壓電漿還原化學能夠生成朝向自二氧化碳中能量高效且低成本地去除碳之路徑。可在反應器之各個點處收集所形成之碳固體。所示反應器(其可包括諸如圖 4中所示之波導 406等施加器，且在較佳態樣中可包括或涵蓋各種熱煙流能源 410)可按比例縮放且經組態以適應與來自化石燃料發電設備之排氣相關聯的各種氣體混合物。更特定而言，電漿能量及因此化學反應動力學經調諧以特定地針對某些電漿反應順序，使得自二氧化碳與化石燃料發電設備排氣中之其他氣體之混合物發生高效的碳固體及氧氣之形成及分離，從而減少或完全消除化石燃料發電設備之所謂「碳足跡」。

因此，圖 4繪示區域隔離反應器 400之若干組件。所示反應器係為梯度(graded)熱輸出而設計的複雜雙表面波電漿系統，其產生數層石墨烯之石墨烯奈米微片之成核及生長。反應器體積氣體及粒子共振時間容許自其他生長之微片之再成核及生長，此導致共價鍵合之碳-碳連接之奈米微片之複雜成簇。在該態樣及其他態樣中，可針對板大小、板間距、晶格間距以及孔隙體積及孔隙大小來調諧該區域隔離反應器 400。嚴格地作為調諧及控制實例，微波源可經功率控制及脈衝，以便促進成核及生長態樣，該等態樣導致形成具有特定板大小、板間距、晶格間距、孔隙體積、孔隙大小等之奈米微片。此外，且如所示，電漿煙流柱之長度可針對長度實施調諧，有或無由產熱器件(例如，歐姆加熱器件 412、介電加熱器件 414等)提供之額外能量。

在一些態樣中，電漿煙流可延伸，諸如由實質上延伸穿過反應器 400之所示延伸長度之熱餘輝所示。延伸長度可足夠長，且可控制穿過延伸長度之流量以便促進容許自其他生長之微片再成核及生長的粒子共振時間。各種能源(例如，聲子加熱器件 418、電磁能源 416、視情況存在之光能源(未顯示)等)可以導致共價鍵合之碳-碳連接之奈米微片之複雜成簇(諸如，根據各個態樣，如圖 9A-圖 9L中所示)的方式來控制。該等材料可作為由電漿煙流內或熱餘輝中之反應形成之固體碳收集。

圖 5係具有熱煙流能源 523之微波氣體處理系統之簡化垂直截面。該氣體處理系統包括區域隔離反應器 501，後者具有實質上等距地隔開的兩個獨立可控之能量輸入(例如， 能量輸入 1及 能量輸入 2)，以向FEWG 505提供能量。

可能存在諸多由FEWG 505之各種對應長度限定之區。嚴格地作為一個實例，圖 5繪示了由電漿柱長度( L1)限定之電漿區 595及由餘輝柱長度( L2)限定之反應區 596。如圖 5中所示，電漿區具有沿電漿柱長度之兩個流入口(例如，流入口 508 ₁ 及流入口 508 ₂ )。所示流入口中之每一者皆係獨立可控的，使得第一流入口用於以第一流量將材料引入沿FEWG 505之第一位置中，且使得第二流入口用於以第二流量將第二材料引入沿FEWG 505之第二位置中。

獨立控制材料流同時控制沿電漿柱長度之熱煙流能源之能力可獲得控制電漿區域 502內之能階之能力，此進而可獲得對在將所引入材料轉化為特定分離組分期間發生的一或多種反應路徑之可控選擇。然而，在所引入材料轉化為特定分離組分期間發生的某些反應路徑需要更長之路徑及/或在路徑中花費之更長時間及/或沿路徑之不同溫度範圍，使得需要延伸電漿柱之長度。此藉由提供具有延伸長度之所示反應區 596來適應。此進一步藉由控制一組熱煙流能源來適應。具體而言，貫穿FEWG 505整個長度之區域之溫度控制可藉由選擇、控制及定位多種熱煙流能源中之任何一種來適應。嚴格地作為說明性實例，電漿區域 502中之溫度可至少部分地由 能量輸入 1控制，而餘輝區域 503中之溫度可至少部分地由 能量輸入 2控制，而任何所示二次區中之溫度可至少部分地由額外熱煙流能源(未顯示)控制。

因此，通過FEWG 505之路徑及等溫線可至少部分地藉由選擇及設計FEWG，且至少部分地藉由控制通過入口之流量，且至少部分地藉由控制額外熱煙流能量輸入來控制。

如本文所用，術語『熱煙流』係指反應器內形成電漿及/或發生化學反應之一或多個區域。在例示性態樣中，鄰近反應器內之兩個或更多個區域提供兩個或更多個不同的獨立可控之能源。此外，在例示性態樣中，第一區域(例如，電漿區域 502中)之平均溫度高於第二區域(例如，餘輝區域 503中)之平均溫度。

圖 5繪示鄰近所示電漿區域 502之餘輝區域 503。可在一個或兩個區域中控制不同的電漿及化學過程。具體而言，電漿區域中之等溫線可藉由控制 能量輸入 1來控制。此有助於嚴格控制電漿區域中之電漿相互作用。類似地，餘輝區域中之等溫線可藉由控制 能量輸入 2來控制。此有助於嚴格控制餘輝區域中之化學相互作用。

可藉由控制電漿區域及餘輝區域中及之間之等溫線來至少部分地促進對所引入材料之特定化學反應之控制。對電漿及中性氣體溫度之控制可容許將構築前驅物(諸如C2基團)之通量最佳化。舉例而言，小區域中過多之C2可導致非晶形碳及額外石墨烯層之形成；然而，較長區域內較低濃度之C2使石墨烯微片得以生長受控，此有利於生長通常在諸多應用中廣受歡迎之更長微片。因此，在較長時期內具有受控之C2濃度有利於生長動力學，而不是在短距離內具有強烈之C2源。

對於反應器內之進一步材料處理，FEWG 505可配有限定二次反應器內區 515(例如， 二次區 1、 二次區 2、 二次區 3、 二次區 4、…… 二次區 N)之任何數目之組件。每一二次區可藉由在第一維度(如所示)上及/或在第二維度(未顯示)上對其對應組件定大小來獨立地定大小。在一些態樣中，二次區之順序可基於具體期望路徑來確定。舉例而言， 二次區 1之後可為 二次區 3，之後為 二次區 2，之後為 二次區 4等。在一些態樣中，二次區之選擇可基於具體期望路徑來確定。舉例而言， 二次區 1之後可為 二次區 3，無任何其他二次區。在一些態樣中，限定任何一或多個二次區之組件可以可移除地附接至先前組件及/或後續組件。舉例而言，限定二次區1之組件可以可移除地附接至FEWG 505(如所示)，及/或限定 二次區 N之組件可以移除地附接至包括FEWG 505本身在內之任何其他組件。

圖5之裝置之描繪未必按比例繪製。此外，FEWG 505之所示長度 L1及長度 L2可相對於彼此相對較長或相對較短。

長度 L1及長度 L2之物理形狀可設計為在材料通過反應器之長度 L1及長度 L2時引起更長或更短之滯留時間。此外，不同且獨立可控之能量輸入(例如， 能量輸入 1、 能量輸入 2)用於控制通過反應器之長度 L1及長度 L2之材料所經受之溫度及溫度變化。

兩個單獨的流入口(流入口 508 ₁ 及流入口 508 ₂ )容許在進入FEWG 505之前或之後混合兩種或更多種材料。包括例如活性材料組分及導電材料組分之材料混合物可用於諸多應用，諸如電子學、汽車及航太。該等材料之混合物經常受益於一些下伏結構。舉例而言，一些結構複合物利用具有高抗拉強度之材料之纖維網片或編織物以在一個或兩個方向上提供強度。該材料之纖維網片或編織物嵌入具有較低彈性模數之基質材料中以提供撓性。受益於活性及導電材料混合物內之下伏結構之另一應用係電池電極，其中活性材料係能量儲存材料，且基於金屬或碳之粒子提供導電性。

與該等混合物之下伏結構有關，活性材料或導電組分之表面積亦可能係重要的。高表面積可在活性材料與導電材料之間提供高界面面積，或者在其上可發生反應。在諸多應用中，碳同素異形體對於該等混合結構化材料中之導電材料組分有吸引力，此乃因其可以高電導率及熱導率且以高表面積產生。

製備該等複合材料之習用途徑包括在基材上生長結構化碳同素異形體(例如，奈米結構化石墨烯)，及接著將活性材料組分沈積至結構化碳材料之孔中。然而，雖然高品質碳同素異形體需要高生長溫度(例如，大於 500℃)，但諸多其他材料不能耐受該等高處理溫度。因此，區域隔離反應器 501可組態有FEWG 505之延伸長度，使得可實施在餘輝區域 503內較低溫度下之化學處理。可提供及控制額外能量輸入(例如， 能量輸入 2)，以便至少在長度 L2上維持溫度或等溫線。

圖 6顯示根據一個態樣的陣列 610中之複數個反應室 602a-602f 之例示性組態 600。在一些實施方案中，組態 600可包括放大器 601、包括多個反應室 602a- 602f之陣列 610及容器 603，如圖 6中所示。亦即，圖 6之組態 600包括耦合至包括六個反應室 602 a- 602 f之陣列 610之一個放大器 601，該等反應室共同耦合至容器 603。雖然圖 6之組態 600包括耦合至包括共同耦合至一個容器 603之六個反應室 602a- 602f之陣列 610的一個放大器 603，但應當理解，組態 600之替代態樣可包括多個放大器 601及/或多個容器 603，其各自分別耦合至陣列 610，該陣列可包括多於或少於六個反應室。舉例而言，組態 600之一個替代態樣包括耦合至包括六個反應室之陣列之兩個放大器，該等反應室共同耦合至一個容器。組態 600之另一替代態樣包括耦合至包括六個反應室之陣列之兩個放大器，該等反應室共同耦合至三個容器。另外，每一反應室皆可組態為圖 7中所示之一或多個反應室 732。

組態 600顯示為實例。額外或更少之組件可耦合在一起以達成特定輸出量之碳質材料。舉例而言，在一些實施方案中，十個或更多個反應室可耦合至一個放大器。另外，可使用功率組合器(圖 6中未顯示)組合多個放大器。以此方式，由每一放大器輸出之微波輻射可由功率組合器組合且隨後以更高之能階發射至一或多個反應室中。在一些態樣中，多個放大器、功率組合器及陣列之多個反應室之組合及組織可稱為「多工」。多工可包括時分多工，係指將由一或多個放大器發射之微波輻射引導至陣列之一或多個反應室中。亦即，藉助多工，可將微波輻射引導至各別陣列之少於全部之反應室，或基於對碳質材料之輸出偏好而引導至特定反應室組。

關於使用單微波發射器為多個反應室供電之一般途徑之額外細節可參見2017年8月14日提出申請且標題為「Microwave Chemical Processing Reactor」之美國專利第10,937,632號，該專利之內容以引用之方式併入本文。

圖 7A-圖 7B顯示根據一些實施方案之實例反應器系統 700A-700B之圖。在一個實施方案中，反應器系統 700A-700B之反應室 732中之每一者皆可為陣列 610之反應室 602a- 602f之實例。另外，反應器系統 700A-700B中之每一者皆可包括沿長度 L ₀ 之電磁場增強區 731，以集中通過反應室 732在方向A上發射之微波輻射 736。此外，在一些實施方案中，反應器系統 700A-700B中之每一者皆可包括或可不包括介電障壁，諸如石英室，該介電障壁將電磁場增強區 731與沿反應室 732之長度 L ₂ 之反應區 770隔開。

反應器系統 700A可耦合至控制電路及/或放大器，例如圖 6之放大器 602。反應器系統 700A可包括反應室 732，後者可為圖 6之系統 600之反應室 602a- 602f之一個實例。以此方式，反應器系統 700A可結合與圖6之系統 600相關之任何組件起作用以輸出碳質材料 780。

圖 7A之反應器系統 700A之反應室 732可包括供應氣體入口 734、第一壓力障壁 722、第二壓力障壁 724、波導 730、電磁場增強區 731、原材料入口 760、在電漿區域 735內生成之電漿 737及經組態以輸出碳質材料 780之出口 738。第一壓力障壁 722及/或第二壓力障壁 724可定位於放大器 601限定的鄰近度內，以由此保護放大器免於暴露於電漿 737自電漿區域 735朝向放大器 601之回流。

舉例而言，在一個實施方案中，第一壓力障壁 722及/或第二壓力障壁 724可定位於波導 730內之電磁場增強區 731內，如圖 7A中所示。在其他替代實施方案中，第一壓力障壁 722及/或第二壓力障壁 724可緊挨電漿障擋物 746之前且沿反應室 732之區段長度L _B定位。在一些態樣中，第一壓力障壁 722及/或第二壓力障壁 724可由石英、乙烯四氟乙烯(ETFE)、其他塑膠及/或陶瓷形成。另外，反應室 732可包括位於第一壓力障壁 722與第二壓力障壁 724之間之噴出埠 726。噴出埠 726可包括一或多個閥，該等閥可在供應氣體 733及/或電漿 737之積聚物破壞第二壓力障壁 724時打開。以此方式，噴出埠 726可視需要排出物質以恢復至期望之操作條件。

為活化並操作圖 7A之反應系統 700A，控制電路 710可輸出控制信號 715以控制放大器 601，以在方向「A」上以例如特定脈衝頻率將微波輻射 736發射至反應室 732中。另外，供應氣體 733(其可包括氫氣、氦氣、惰性氣體及/或含烴氣體，諸如甲烷(CH ₄))可由供應氣體入口 734在方向「A」上輸送及/或流動至反應室中。供應氣體 733可在整個反應室 732中向下流向出口 738，且由此至少暫時駐留於反應區 770內。在一些態樣中，波導 730可指反應室 732之外表面。波導 730可沿區段長度 L ₀ 逐漸變細，以具有自第一截面區域 751向第二截面區域 752逐漸減小以包封電磁場增強區 731之截面區域 750。

以此方式，由於截面區域 750沿區段長度 L ₀ 逐漸減小，因此由放大器 601發射之微波輻射 736可在方向「A」上集中於電磁場增強區 731內。集中之微波輻射 736可電磁激發反應區 770中之供應氣體 733，以點燃並由此在電漿區域 735內自生成電漿 737。另外，電極 E1及 E2較佳地位於反應區 770之相對側上，且用於生成影響反應區 770內發生之化學反應之電場。最佳地，在操作中，在電極 E1與 E2之間維持大約180度之相位差，無論對應場係使用直流電還是交流電來生成。

電漿可包括含碳自由基，諸如甲基自由基 771，當進一步由微波輻射 736電磁激發時，該等碳自由基可在電漿區域 735內組合且複合。甲基自由基 771之該組合及複合可包括自成核以產生碳質材料 780。以此方式，碳質材料 780可藉由出口 738自反應室 732輸出。

在一個實施方案中，反應室可具有總體長度 L，該長度可進一步細分為多個區段長度，包括 L _A 、 L ₀ 、 L _B 、 L ₂ 及 L ₁ ，該等區段長度中之任何一或多者可如圖 7A-圖 7B中所示，或以其他組態重新組態。舉例而言，在一些實施方案中，反應系統 700A之反應室 732可具有在大約10公分(cm)與15 cm之間之總體長度 L，以提供諸如大約在10 g/hr.與1 kg/hr.之間之輸出量。在其他實施方案中，對於諸如大於1 kg./hr之工業規模之輸出要求，反應室 732可具有在40 cm至60 cm之間之總體長度 L。另外，反應室 732沿區段長度 L _B 之第二截面區域 752可具有大約2.5 cm × 7.5 cm之尺寸，以用於以2.45 GHz之頻率輸送時之微波輻射 736。在一些態樣中，第一截面區域 751、第二截面區域 752及/或截面區域 750中之任何一或多者之尺寸可根據微波輻射 736之頻率來選擇。舉例而言，在一些實施方案中，第二截面區域 752可為大約12 cm × 6.3 cm，以用於以大約2.1 GHz-2.7 GHz之頻率發射時之微波輻射 736。另外，第一截面區域 751可比第二截面區域 752大大約30%-100%。

在一個實施方案中，反應室 732可具有如圖7A中所示之總長度 L、區段長度 L _A 及區段長度 L _B 。在該實施方案中， L _B 中之第二截面區域752小於 L _A 中之第一截面區域。電漿 737可藉由在暴露於微波輻射 736後輸入至 L ₁ 中之電漿區域 735中之供應氣體733的自點火來生成。以此方式，電漿 737可產生適於將原材料 745處理成碳質材料 780及/或原材料 745之一或多種組分之高能環境。在一些態樣中，總長度L可在1 cm與1,000 cm之間之近似範圍內。區段長度 L ₀ 可大約在1 cm與100 cm之間。區段長度 L ₁ 可大約在1 cm與100 cm之間。區段長度 L ₂ 可大約在1 cm與1000 cm之間。在一些實施方案中，相對較高之氣體流速可將 L ₁ 及/或 L ₂ 相對於其各別原始長度延伸各種比例，諸如0%-100%。在一些態樣中，圖 7A-圖 7B之任何一或多個反應器系統 700A-700B之反應室 732分別可將內部壓力維持在一或多個近似範圍內，包括大約在0.1 atm與10 atm之間，及/或0.1 atm及10 atm內之一或多個範圍。在正壓環境中操作反應器系統 700A-700B可防止電漿區域 735中生成之電漿 737朝向放大器 601的不期望之回流。

反應器系統 700A-700B之一或多個反應室 732可由固有導電材料及/或包括導電塗層之材料製成，以例如促進由放大器 601發射之微波輻射 736之大於90%的發射。適宜實例可包括金屬、含金屬材料、具有導電塗層之金屬、陶瓷、含陶瓷材料、具有導電塗層之陶瓷材料、不銹鋼、塗有包括鋁、鎳、銀或鎳-銀合金之導電層之不銹鋼、具有鋁襯裡之不銹鋼、及/或塗有導電層之陶瓷材料。

反應器系統 700A-700B中一或多者之反應室 732之波導 730及/或反應區 770可促進電漿區域 735內電漿 737之生成。以此方式，反應室 732可無需額外或單獨的波導及/或石英反應室以生成電漿 737。另外，波導 730及/或反應區 770的促進電漿 737點燃之組態可使得能夠處理最高達1,000公升(L)之更大體積之供應氣體 733。舉例而言，在一些實施方案中，原材料 745(諸如懸浮於惰性氣流中的微粒物質)及/或供應氣體 733可分別以一或多個近似流量範圍(諸如1 slm (標準公升每分鐘)至1,000 slm，及/或1 slm及1,000 slm內之任何更小範圍)流過入口 760及/或供應氣體入口 734。

在其他實施方案中，原材料 745可為藉助原材料入口 760輸送至反應室 732的反應區 770中之液體。原材料 745可為或包括水、烷烴、烯烴、炔烴、芳烴、飽和及/或不飽和烴(包括烷烴、烯烴、炔烴或芳烴)、乙醇、甲醇、異丙基醇(諸如異丙醇)等。以此方式，原材料可產生作為分離組分之碳及氫。液相中原材料 745之流量可為流入反應器中之供應氣體 733之百分比，包括0.001%至1,000%、或0.001%至100%、或0.001%至10%、或0.001%至1%、或0.001%至0.1%、或0.01%至1000%、或0.01%至100%、或0.01%至10%、或0.01%至1%、或0.01%至0.1%。

在一些實施方案中，原材料 745可為藉助原材料入口 760輸送至反應室 732中之膠體分散體。舉例而言，膠體分散體可包括各種未處理之碳質材料。可用作原材料 745之膠體分散體之一些實例包括來自第16族、第14族、第10族、第9族、第5族、第2族、第1族、其合金、其混合物之固體粒子中的一或多者，並且/或者可與液體或氣體混合。用於原材料 745中之膠體分散體中之固體粒子可與諸如以下等液體混合：水、烷烴、烯烴、炔烴、芳烴、飽和及不飽和烴(諸如烷烴、烯烴、炔烴或芳烴)、乙醇、甲醇、異丙醇或其混合物，諸如乙醇/甲醇之50/50混合物。

在一些態樣中，供應氣體 733及/或原材料 745可包括一或多種氣相物質，諸如來自第1族及第15-18族之氣體，以及無機化合物，諸如第14族氫化物。以此方式，原材料 745可在反應室 732內處理且產生碳質材料 780，以及一或多種分離組分，包括塗覆在有機材料中之固體無機材料，及具有有機/無機材料夾層之複合材料。當製備為如上文所呈現之膠體分散體時，原材料 745可作為流入反應器中之供應氣體 733之百分比(諸如0.001%至1000%、或0.001%至100%、或0.001%至10%、或0.001%至1%、或0.001%至0.1%、或0.01%至1,000%、或0.01%至100%、或0.01%至10%、或0.01%至1%、或0.01%至0.1%)流入反應室 732中。

另外，原材料 745可僅為氣體，而不含懸浮於氣體中之微粒物質。舉例而言，在一個實施方案中，供應氣體 733可為惰性氣體，諸如氬，且原材料可為含烴氣體，諸如C ₂H ₂、C ₂H ₄、C ₂H ₆。另外，原材料 745可為甲烷(CH ₄)，且由此分離成包括氫及奈米微粒碳之組分。在其他實施方案中，原材料 745可為在水中鼓泡之二氧化碳(CO ₂)以產生包括氧、碳及水之分離組分。在一些態樣中，原材料 745可為或包括硫化氫(H ₂S)以得到分離組分，可包括氫氣及硫。在一些實施方案中，原材料 745可不含二氧化碳。在一些其他實施方案中，原材料可為基於氣體之複雜材料，諸如矽烷(SiH ₄)、三甲基鋁(TMA)、三甲基鎵(TMG)、甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)、SF ₆、及/或半導體工業中通常用於沈積及蝕刻金屬及介電質之其他物質及/或材料。

在一些態樣中，圖 7A-圖 7B之反應器系統 700A-700B之一或多個反應室 732分別可耦合至氣固分離器 795，該氣固分離器可分離自出口 738輸出之組分。在由圖 7A所示之實施方案中，氣固分離器 795可與反應室 732分離，但可存在氣固分離器 795可與反應室 732耦合或一體形成之其他組態。氣固分離器 795可自出口 738接收包括碳質材料 780之經處理材料，以及包括原材料 745及/或供應氣體 733之額外物質及/或氣體，以及一或多種副產物。在一些實施方案中，氣固分離器 795可將碳質材料 780與一或多種諸如以下等其他組分分離：碳黑、碳奈米洋蔥(CNO)、頸狀CNO、碳奈米球、石墨、熱解石墨、石墨烯、石墨烯奈米粒子、石墨烯微片(graphene platelet)、富勒烯(fullerene)、雜化富勒烯、單壁奈米管及/或多壁奈米管。由氣固分離器 795分離之碳質材料 780及/或固體組分中之一或多種可包括碳質聚集體，每一聚集體皆具有大約50微米、或大於100微米、或大於200微米、或大於300微米、或大於500微米、或大於1,000微米、或1至1,000微米、或10微米至1,000微米、或100微米至1,000微米、或100微米至500微米之主要尺寸。

可藉由放大器 601輸出之微波輻射 736，就各種物理參數(包括電漿 737之溫度、壓力及/或密度)方面來調諧電漿區域 735，以就物理性質或特性方面來對應地調諧碳質材料 780。舉例而言，控制電路 710可控制放大器 601將微波輻射 736之發射脈衝至反應室 732中。調諧微波化學處理系統中微波輻射 736之額外細節揭示於美國專利案第9,812,295號中，該專利案已受讓於本申請案之受讓人且以全文引用之方式併入本文。

在一些實施方案中，電漿 737中之平均能量可由控制電路 710，藉由例如改變脈衝週期及/或藉由選擇脈衝頻率以達成期望之電漿能量來控制。另外或替代地，電漿 737之平均能量可藉由調整控制信號 715之工作循環來控制。舉例而言，放大器 601之時間平均輸入功率及脈衝週期皆可保持恆定，而控制信號 715之工作循環可變化。在一些態樣中，較短之工作循環可增加發射至反應室 732中之微波輻射 736之功率量值。以此方式，可使用相對低量之功率，以在類似功率設置下及/或在微波輻射 736之連續波形下可能不可行之速率生成碳質材料 780。

在一些實施方案中，可藉由控制輸入至電漿 737中之時間平均功率來選擇在電漿區域 735中之電漿 737內發生之反應路徑。舉例而言，保持放大器 601之工作循環及脈衝頻率同時增加輸入至放大器中之功率可能引起電漿 737之總體能階增加。在另一實例中，將微波輻射 736更有效地發射至反應室 732中亦可引起電漿 737之總體能階在恆定之工作循環及脈衝頻率等下增加。在一個實施方案中，供應氣體 733及/或原材料 745可包括甲烷，其可藉由氣固分離器 795分離為氫及奈米微粒碳。通常，解離甲烷可能需要4-6 eV，此在電漿 737之能階在初始點火能量尖峰後可能穩定在大約1.5 eV之情況下係不期望的。控制電路 710可使放大器 601脈衝微波輻射 736之發射，以將平均電漿能量維持在相對較高之位準。

反應室 732之電漿區域 735中之電漿 737可為非熱平衡電漿，且由此不斷改變包括溫度在內之一或多個物理或化學參數，以容許微波輻射 736更深地及/或更充分地滲透至電漿 737中。舉例而言，在一些實施方案中，電漿 737在整個脈衝週期上之平均能量可為0.9 eV至20 eV、或0.9至10 eV、或1.5 eV至20 eV、或1.5 eV至10 eV、或大於0.9 eV、或大於1.5 eV。電漿 737之能量可基於由控制電路 710所控制之碳質材料 780之偏好來調諧。舉例而言，控制電路 710可使放大器以一或多種包括915 MHz、2.45 GHz或5.8 GHz在內之界定頻率發射微波輻射 736。控制電路 710可啟用500 Hz至1000 kHz、或1 kHz至1000 kHz、或10 kHz至1000 kHz、或40 kHz至80 kHz、或60 kHz至70 kHz、或大於10 kHz、或大於50 kHz、或大於100 kHz之脈衝頻率。

放大器 601可作為連續波或以具有以下時間平均功率之脈衝方式發射微波輻射 736：1至100 kW、或1 kW至500 kW、或1 kW至1 MW、或10 kW至5 MW、或大於10 kW、或大於100 kW、或大於500 kW、或大於1 MW、或大於2 MW。在一些態樣中，脈衝週期具有微波功率開啟之第一持續時間，及微波輻射 736關閉或處於比第一持續時間期間更低之功率之第二持續時間。第二持續時間可長於第一持續時間。給定系統之最佳工作循環端視諸多因素而定，該等因素包括微波功率、脈衝頻率及脈衝形狀。工作循環(諸如微波輻射 736開啟之脈衝週期之分數，表示為百分比)可為1%至99%、或1%至95%、或10%至95%、或20%至80%、或50%至95%、或1%至50%、或1%至40%、或1%至30%、或1%至20%、或1%至10%、或小於99%、或小於95%、或小於80%、或小於60%、或小於50%、或小於40%、或小於30%、或小於20%、或小於10%。

反應室 732可不包括介電障壁，諸如石英窗。在具有介電障壁之反應器系統之操作期間，可降低穿過介電障壁發射之微波輻射之強度。以此方式，較低量之微波輻射可用於電磁激發供應氣體，從而導致相應較低量之電漿之點火。另外，來自供應氣體入口 734之供應氣體之輸送與微波輻射 736之發射之平行定向可防止副產物在反應室 732之各個內表面上之不期望之積聚。在一些態樣中，反應室 732可包括電漿障擋物 746，後者可防止電漿區域 735中之電漿朝向放大器 601及/或供應氣體入口 734回流。電漿障擋物 746可由陶瓷形成或形成為包括孔之金屬過濾器，其可容許微波輻射 736通過，同時如所述防止超過80%之電漿回流。

原材料入口 760可如圖 7A中所示定位於波導 730與反應區 770之間。另外或替代地，原材料入口 760可定位於反應室 732上之區段長度 L ₀ 、 L _A 或沿總體長度L之其他區段長度內。反應室 732之包封反應區 770及電漿區域 735之壁可形成有孔以適應由原材料入口 760輸送之氣體物質之向內流動。在一些實施方案中，除了或代替由供應氣體入口 734輸送之供應氣體 733，原材料入口 760亦可將供應氣體 733輸送至反應室 732中。原材料入口 760亦可將原材料(諸如碳黑及/或其他形式之未處理碳質材料)輸送(諸如，注射)至反應區 770中。

圖 7B顯示根據一些實施方案之反應室 602a-602f之實例組態。反應器系統 700可在諸多方面類似於圖 7A之反應器系統 700A，使得本文不再重複對相同元件之描述。在一些實施方案中，反應器系統 700B可包括再循環供應氣體入口 790，後者可接收可補充供應氣體 733以產生電漿 737之前驅氣體 784。前驅氣體 784可包括氫氣、氬氣、氦氣或各種惰性氣體中之一或多種。此外，類似於圖 7A中所示之態樣，如圖 7B中所示之反應器系統 700B包括定位於反應區相對側上之電極 E1及 E2，該等電極用於生成電場且影響反應區中發生之化學反應。根據圖 7B之態樣，電極 E1及 E2相對於反應區以一定角度定位，導致沿反應區之長度變化之場強(歸因於各別電極與反應區之間之不同距離)。雖然圖 7A及圖 7B中所示之電極 E1及 E2繪示為扁平電極，但熟習此項技術者將瞭解，可在不背離當前闡述之發明性概念之範疇之情況下，採用其他電極組態，例如彎曲、圓形、圖案化等電極。在較佳途徑中，將電極E1及E2相對於反應區以一定角度安置有助於更均一之反應路徑通量密度。在圖 7B之反應器系統 700B之實例組態中，氣固分離器7 95可耦合至出口 738且分離由出口 738自反應室7 32輸出之材料，以得到未轉化之溫室氣體 782。

在其他實施方案中，未轉化之溫室氣體 782可藉助進入再循環供應氣體入口 790之導管 785再循環回反應室 732中，以用作前驅氣體 784。未轉化之溫室氣體 782之再循環可為電漿 737增加能量，且亦可熱裂解原材料。舉例而言，在一個實施方案中，未轉化之溫室氣體 782可為2標準公升每分鐘(slm)至10 slm之氫氣(H ₂ )，其可藉助導管 785再循環回反應室 732之波導 730中。以此方式，反應室 732可輸出總共150至200 slm之H ₂。另外或替代地，可使少於全部之量之未轉化之溫室氣體 782再循環以滿足反應室 732之特定輸出要求。

舉例而言，在一個實施方案中，可使2-10 slm之H ₂中之大約50%如所示再循環回波導 730，其餘部分自氣固分離器 795輸出。在其他實施方案中，未轉化之溫室氣體 782之量或比例可基於供應氣體 733之特徵。舉例而言，在一個實施方案中，供應氣體 733可為氫氣且原材料 745可為甲烷(CH ₄)。以此方式，甲烷可暴露於由如由控制電路 710控制之放大器 601發射的微波輻射 736且由其電磁激發。電漿 737可為基於微波輻射對一些甲烷之激發而在反應室 732之電漿區域 735中生成的基於氫之電漿。甲烷之剩餘部分可在暴露於微波輻射 736後裂解以生成甲基自由基 771及氫氣。以此方式，至少一些自裂解甲烷產生之氫可作為未轉化之溫室氣體 782再循環且形成輸入至再循環供應氣體入口 790中之前驅氣體 784。該再循環氣體接著可用於進一步裂解電漿區域中普遍存在之甲烷以提高反應室 732之操作效率。另外，再循環之氫可處於相對高之溫度下，由此加熱電漿區域中之甲烷且需要來自微波輻射 736之較低能量輸入。

圖 8圖解說明根據一個態樣繪示二氧化碳及水之樣品解離狀態之能量調諧圖。

已利用疊加在調變電場上之微波輻射證實大氣壓電漿條件。微波輻射之疊加用於增加電子密度且降低對因調變電場所致之帕申擊穿(Paschen’s breakdown) (解離)之要求。已以實驗方式研究由包括氬氣、氮氣、二氧化碳、氧氣及氦氣在內之氣體形成的大氣壓電漿，且一些組態及調諧達成接近0.95之解離分數。

以給定能量(eV)碰撞分子之電子具有用於解離之有效截面區域。舉例而言，碰撞氮氣分子之100 eV電子將具有2.19 E ^-16cm ²之有效解離截面。若解離分子具有多種解離狀態，諸如圖 8之兩個圖中所繪示，每種狀態皆將存在一有效解離截面。一解離截面與總和之相對比率提供了將產生該解離狀態之統計機率。

自圖 8可看出，且首先參考繪示二氧化碳輸入之解離狀態之上部分，顯而易見準穩態CO ₂ ⁺係在所有解離能下產生之主要物質，其截面在約100% (在大約25 eV下)至約65% (在大約100 eV下)之範圍內。在相同能量範圍內之其他具有明顯截面之物質(約10-20%)包括O ⁺、CO ⁺及C ⁺。值得注意的是，雙解離物質CO ₂ ⁺⁺、C ⁺⁺及O ⁺⁺在整個能量範圍內皆以可忽略之量產生。

現在參考圖 8之下部，顯示解離水之解離截面及對應能量。再次，準穩態水(H ₂O ⁺)係在解離能範圍內生成之主要物質。然而，經解離氫氧根OH ⁺在高於大約30 eV之能量下以大約20%之截面存在，且經解離氫(質子)在約30 eV之能量下展現出約7%之截面，且當能量升至100 eV而上升至約15%。

因此，自圖 8中所示之曲線，顯而易見產生用於將二氧化碳轉化為固體碳之期望物質(例如，根據圖 3A-圖 3G中所示之各種路徑)，需要具有至少20 eV之能量之電漿，且具有約100 eV之能量之電漿特別適於將轉化效率提高至本文所述之期望水準。

如上文所示及討論的，特別參考圖 3A-圖 3G，控制該等各種物質之解離狀態以及將二氧化碳轉化為固體碳之對應化學反應係當前所揭示之發明性概念之主要焦點。事實上，根據一些例示性態樣，若干該等固體碳之樣品影像如下示於圖 9A至圖 9L中。

圖 9A至圖 9L中所示材料為諸如圖 6中所示且參考上文圖 4-圖 7B所討論的施加器 601內二氧化碳裂解製程之實際固體碳輸出之SEM圖片(圖片 9A00、圖片 9B00、圖片 9C00、圖片 9D00、圖片 9E00、圖片 9F00、圖片 9G00、圖片 9H00、圖片 9I00、圖片 9J00、圖片 9K00、圖片 9L00)。更特定而言，將氣態二氧化碳及其他氣體在施加器中混合，以便將氣體解離成分子物質，使得碳生長至其他碳上以形成微粒碳固體。如前文所示，收集固體碳，從而產生用於減緩CO ₂溫室氣體之碳捕獲機制。該等經捕獲碳並非廢物。事實上，該等固體碳具有諸多工業用途。上文提及該等工業用途之舉例。

圖 10 顯示係根據一個態樣的耦合至各種化石燃料及溫室氣體來源(包括煉油廠 1002、發電設備 1004及甲烷去碳精製廠 1006)之二氧化碳處理設施 1030之簡化示意圖1000。因此，圖 10繪示對應於基於化石燃料之生產者-消費者生態系統之系統佈置。

該示意圖顯示自消耗化石燃料至生成無污染所得物之分子流動進程。生產者-消費者生態系統之組件之操作有助於實踐用於清潔化石燃料電力生產之高效固體碳捕獲方法。特定而言，標記為二氧化碳處理設施 1030之組件包括用於將來自發電設備 1004之排氣流引導至其中具有微波反應器之二氧化碳處理設施 1030中之管道或其他構件。視情況，水可存在於 排氣中，並且/或者可自補充之 H ₂ O 源向二氧化碳處理設施 1030提供水。微波反應器經組態以將排氣之二氧化碳解離成氣態氧及微粒碳固體 1032。二氧化碳處理設施 1030經組態以用於(1)將氣態氧及水釋放至環境中；且(2)經進一步組態以用於(2)將微粒固體碳捕獲至密封外殼(containment vessel)中。

在一些情況下，二氧化碳處理設施 1030接收來自發電設備 1004之輸出物(例如，水蒸氣 H ₂O )，且甲烷去碳精製廠 1006接收來自煉油廠 1002之輸出物(例如，甲烷)。如所示，煉油廠 1002及/或甲烷去碳精製廠 1006亦產生重質石油產物 1022(例如，柴油、汽油、石油焦等)及氫 1024。在一些情況下，甲烷精製廠經組態以產生粉狀碳產物 1026。

如所繪示，輸入及輸出之所有分子皆被消耗(例如，以產生電力)，或釋放清潔氣態氧，或捕獲為固體微粒碳。在一些生態系統中，煉油廠產生諸多不為所示甲烷及重質石油產物 1022之產物。舉例而言，煉油廠可產生其他產物，諸如石腦油及丁烷。此外，煉油廠可產生在額外下游設施(例如，在酸性水蒸汽汽提塔中)處理之副產物(例如，H ₂S)。

現在將依照使用者之期望，關於可或可不實施前述方法之各種視情況存在之架構及使用闡述更多說明性資訊。應特別注意，陳述以下資訊係用於說明目的，且不應將其視為以任何方式加以限制。可在排除或不排除所闡述之其他特徵之情況下，視情況併入任何以下特徵。

圖 11圖解說明根據一個態樣的用於將二氧化碳轉化為固體碳之方法 1100。作為一種選擇，方法 1100可在任何先前及/或隨後之圖和/或其描述中闡述的任何一或多個態樣之背景下實施。然而，當然，方法 1100可在任何期望環境之背景下實施。此外，上述定義同樣可適用於以下描述。

如圖 11中所示，方法 1100包括在反應器中接收二氧化碳及水，在操作1102中，該反應器經組態以生成電漿。二氧化碳及/或水可根據各種態樣，以任何適宜方式(例如經由注射至反應器中)接收。反應器可包括本文所述及各種圖式、尤其圖 4-圖 7B及/或圖 10中所示之任何組態，或者可包括以熟習此項技術者在閱讀本說明書後將理解之任何適宜方式佈置的其中所示之各種組件。

繼續參考圖 11，在操作 1104中，方法 1100涉及使用電漿解離二氧化碳及水以形成一或多種解離物質。根據較佳途徑，解離物質可包括本文所述及/或各個圖式中、尤其參考圖 3A-圖 3G及/或圖 8所示之任何該等物質。

在圖 11之操作 1106中，將解離物質暴露於電場，該電場經組態以促進一或多種化學反應。較佳地，電場係或包括AC場及/或脈衝DC場，如上文更詳細地闡述。在各種途徑中，化學反應可包括本文闡述為適於生成固體碳及/或闡述為用於生成固體碳之多重反應之適宜路徑的一部分之任何反應。舉例而言，在圖 3A-圖 3G中顯示且參考該等圖闡述之反應屬於欲在當前闡述之發明性概念之背景下促進的較佳反應。在替代態樣中，代替或除了固體碳之外，可生成其他最終產物，諸如基於硫之化合物。

方法 1100亦包括操作 1108，其中經由化學反應生成固體碳。如上文更詳細地闡述，高效地生成固體碳涉及使用水作為輸入材料，以及對電漿及/或電場實施微調以生成用於發生化學反應之適當之熱及/或動力學條件。舉例而言，最佳參數降低解離所需之活化能且促進產生期望物質，用於參與隨後之化學反應，以形成期望之最終產物，例如，本文所述之各種形式之固體碳。

在操作 1110中，方法 1100涉及自反應器輸出固體碳。固體碳可以熟習此項技術者在閱讀本揭示案後將瞭解之任何適宜方式輸出。較佳地，在輸出之前，例如使用氣固分離器將固體碳與其他原材料(例如氣體)分離，且輸出至適當容器。

根據各種途徑，方法 1100可包括不為上文剛剛闡述之額外或替代操作及/或特徵。

舉例而言，在一個態樣中，使用電場促進化學反應可包括調變由耦合至反應器之控制電路生成的控制信號之頻率及/或工作循環。此外，化學反應可包括第一反應，該第一反應經組態以在單一步驟中自一氧化碳及水生成固體碳；及第二反應，其經組態以在兩個步驟中自一氧化碳及水生成固體碳。

較佳但絕非必要地，二氧化碳及水係自耦合至反應器之發電設施接收的流出排氣流之組分，且生成固體碳減少發電設施之碳足跡。

在各種途徑中，固體碳可為或包括一或多種諸如以下等材料：碳黑、碳奈米洋蔥(CNO)、頸狀CNO、碳奈米球、石墨、熱解石墨、石墨烯、石墨烯奈米粒子、石墨烯微片、富勒烯、雜化富勒烯、單壁奈米管、多壁奈米管及其組合。

繼續參考方法 1100，且如上文所述，自反應器中去除氧以避免在不導致產生固體碳(或其他期望產物)之路徑中各種解離物質與其複合係有利的。

根據各個態樣，當前所闡述之發明可體現為系統、方法、物質之組成物或其組合。該等態樣可以任何適宜方式組合，且可根據不同實施方案包括(或排除)本文所揭示之特徵之各種排列，此並不背離本發明之範疇。本描述中呈現之例示性發明性概念包括但不限於以下內容。

在一個態樣中，一種用於自二氧化碳氣體及水產生固體碳之方法包括：在反應器中接收二氧化碳及水，該反應器經組態以生成電漿；使用該電漿解離該二氧化碳及該水以形成一或多種解離物質；將該等解離物質暴露於電場，該電場經組態以促進一或多種化學反應；經由該等化學反應生成固體碳；及自該反應器輸出該固體碳。根據各種途徑，該方法可另外或替代地包括以下操作/特徵中之任何一或多者。在一種途徑中，該方法包括自解離二氧化碳及水之一或多種副產物及/或自一或多種化學反應之一或多種副產物中分離固體碳。在另一種途徑中，使用電場促進化學反應包括調變由耦合至反應器之控制電路生成的控制信號之頻率及/或工作循環。此外，化學反應可包括：第一反應，該第一反應經組態以在單一步驟中自一氧化碳及水生成固體碳；及/或第二反應，其經組態以在兩個步驟中自一氧化碳及水生成固體碳。使用電漿生成固體碳涉及使電子碰撞二氧化碳及水，以及視情況其對應之解離物質。較佳地，二氧化碳及水係自耦合至反應器之發電設施接收的流出排氣流之組分。更佳地，生成固體碳減少發電設施之碳足跡。固體碳可包括一或多種選自由以下組成之群之材料：碳黑、碳奈米洋蔥(CNO)、頸狀CNO、碳奈米球、石墨、熱解石墨、石墨烯、石墨烯奈米粒子、石墨烯微片、富勒烯、雜化富勒烯、單壁奈米管及多壁奈米管。在一些途徑中，電漿之特徵在於大約100電子伏特(eV)之能量及/或約1吉赫至約5吉赫之範圍內之頻率。該方法可包括在電漿區及/或反應區內生成電場，例如交流電及/或脈衝直流(DC)場。可使用耦合至反應器、較佳地定位於電漿區之相對側上之複數個電極生成電場。電極之特徵可在於大約180度之相位差。電場之特徵可在於具有沿反應器之長度之可變強度，例如，歸因於沿反應器之長度的各別電極與電漿區之間之不同距離。在實施該方法期間可自反應器中去除氧，以避免與其他物質複合而形成不為期望輸出物(例如，固體碳、硫、矽等)之產物。

根據另一態樣，一種系統包括波導，該波導包含沿第一波導之長度延伸之電漿區；微波能源，其耦合至該波導；第一流入口，其經組態以使二氧化碳氣體流入該電漿區中；及氣固分離器系統，其耦合至微波電漿反應器。該微波能源經組態以將微波能傳播至該波導中；且該微波能經組態以在該電漿區內生成電漿。該電漿區內之該電漿經組態以將該二氧化碳氣體解離成複數種組分，包括氧氣及固體碳粒子。使用該電漿之解離涉及使電子碰撞二氧化碳及水，以及視情況其對應之解離物質。該氣固分離器(GSS)系統經組態以接收該複數種組分。另外或替代地，根據本文所呈現之發明性概念之各個態樣，該系統可包括以下組分/特徵之任何組合或排列。舉例而言，該波導較佳亦包括反應區，該反應區經組態以促進一或多種用於將該二氧化碳轉化為該複數種組分之化學反應。視情況，電磁能源、歐姆加熱器件、介電加熱器件及/或聲子加熱器件可耦合至電漿區，其中該電漿區中之等溫線係使用歐姆加熱器件、介電加熱器件、微波能器件及/或聲子加熱器件來控制。該波導可視情況包括第二流入口，該第二流入口經組態以將二氧化碳輸送至該電漿區中；及/或第三流入口，其經組態以將一或多種額外材料輸送至該波導之反應區中，其中該一或多種額外材料經組態以將該二氧化碳及/或該複數種組分官能化。較佳地，該複數種組分包括固體碳。更佳地，將該二氧化碳氣體自發電設施之排出排氣流提供至該第一流入口。該氣固分離器(GSS)可經組態以將氣態組分與該等固體碳粒子分離，接著輸出該等固體碳粒子。該系統可另外包括至少一個耦合至氣固分離器系統之容器，其中該至少一個容器經組態以接收該等固體碳粒子。該系統亦可包括複數個耦合至波導之電極，其中該複數個電極經組態以協作地生成交流電(AC)場及脈衝直流電(DC)場中之一者或二者。無論使用AC還是DC生成，皆較佳地在電極之間維持大約180度之相位差。該第一流入口可經組態以使該二氧化碳氣體在平行於該波導之方向上流入該電漿區中。

根據又一態樣，該系統包括複數個反應室，諸如上文所述之系統。該複數個反應室直接或間接地耦合(例如，並聯或串聯)至至少一個微波能源、至少一個放大器及至少一個容器。每一反應室皆包括耦合至該微波能源之波導，且每一波導皆獨立地包括：電漿區，該電漿區經組態以因應該微波能而生成電漿；至少一個入口，其經組態以將原材料輸送至該電漿區中；及出口，其經組態以輸出基於該原材料之粉末。較佳地，每一反應室皆包括或係速調管之一部分。該電漿較佳使電子碰撞該(等)反應室內之二氧化碳及水，進而使其解離，且視情況該解離涉及使電子碰撞二氧化碳及/或水之解離物質。應當理解，包括複數個反應室之系統可包括上文關於單一反應室所述之組件/特徵/能力之任何組合或排列。

根據當前闡述之發明性概念之又一態樣，一種物質組成物包括具有自使用電漿及電場解離二氧化碳及水而形成之物理特性之碳質材料。較佳地，該解離係藉由碰撞存在於反應室中之化學物質之電子來驅動，該反應室經組態以生成(例如，微波)電漿。

使用至少一種電漿自二氧化碳及水之解離形成之物理特性可包括包含碳質聚集體之碳質材料，該等碳質聚集體之特徵在於具有約1微米至約1000微米之範圍內之長度的主要尺寸。使用至少一種電漿自二氧化碳及水之解離形成之物理特性可另外或可替代地包括碳質材料，該碳質材料包含一或多種選自由以下組成之群之材料：碳黑、碳奈米洋蔥(CNO)、頸狀CNO、碳奈米球、石墨、熱解石墨、石墨烯、石墨烯奈米粒子、石墨烯微片、富勒烯、雜化富勒烯、單壁奈米管及多壁奈米管。賦予物理特性之電漿之特徵在於約1吉赫至約5吉赫之範圍內之頻率。根據本發明之各個態樣，該電漿可為微波電漿；並且/或者該電場係交流電(AC)場或脈衝直流電(DC)場，但可組合使用AC場及DC場。

應當理解，所述圖中所圖解說明之組件之佈置係例示性的且其他佈置係可能的。亦應當理解，由申請專利範圍所限定、下文所闡述及各種方塊圖中圖解說明之各種系統組件(及構件)表示根據本文所揭示之標的物組態的一些系統中之邏輯組件。

舉例而言，該等系統組件(及構件)中之一或多個可藉由在所述圖中圖解說明之佈置中圖解說明之組件中的至少一些來全部或部分地實現。另外，雖然該等組件中之至少一個至少部分地實施為電子硬體組件，且因此構成機器，但其他組件可在軟體中實施，當包括在執行環境中時，該軟體構成機器、硬體、或軟體與硬體之組合。

更具體而言，由申請專利範圍限定之至少一個組件至少部分地實施為電子硬體組件，諸如指令執行機器(例如，基於處理器或含處理器之機器)，及/或專用電路或電路系統(例如，經互連以執行專門功能之離散邏輯門)。其他組件可在軟體、硬體或軟體及硬體之組合中來實施。此外，該等其他組件中之一些或全部可組合，一些可完全省略，且可添加額外組件，同時仍達成本文所述之功能。因此，本文所述之標的物可以諸多不同變化形式體現，且所有該等變化形式皆涵蓋於所主張之範疇內。

在以上描述中，除非另外指明，否則參考由一或多個器件實施之操作之動作及符號表示來闡述標的物。因此，應當理解，有時稱為電腦執行之該等動作及操作包括處理器對結構化形式之資料之操縱。該操縱轉換資料或將其維持在電腦之記憶體系統中之位置，此以熟習此項技術者充分理解之方式重新組態或以其他方式改變器件之操作。資料作為具有由資料格式定義之特定屬性之資料結構維持在記憶體之物理位置。然而，儘管在前述上下文中闡述了標的物，但此並非意欲加以限制，此乃因熟習此項技術者將瞭解，下文所述之各種動作及操作亦可在硬體中實施。

為便於理解本文所述之標的物，諸多態樣係依照動作順序來闡述。本文對任何動作順序之描述並非意欲暗示必須遵循為實施該順序而闡述之特定順序。除非本文另有指示或上下文另外明顯矛盾，否則本文所闡述之所有方法皆可以任何適宜順序實施。

除非本文另有指示或上下文明顯矛盾，否則在闡述標的物之上下文(特別在下文申請專利範圍之上下文)中所用之術語「一(a及an)」及「該(the)」及類似指示物皆應解釋為涵蓋單數及複數二者。除非本文另有指示，否則本文所列舉之數值範圍僅意欲用作個別提及落入該範圍內之每一單獨值之速記方法，且每一單獨值係如同在本文中個別列舉一般併入本說明書中。此外，上述描述僅用於說明目的，而並非用於限制目的，此乃因所尋求之保護範疇係由如下文所述之申請專利範圍連同其有權享有之任何等效內容來限定。除非另外主張，否則本文所提供之任何及所有實例或例示性語言(例如，「諸如」)之使用僅意欲用於更好地說明標的物且並不對標的物之範疇加以限制。在申請專利範圍及書面說明二者中指示導致結果之條件之術語「基於」及其他類似片語的使用不意欲排除導致該結果之任何其他條件。說明書中之任何語言皆不應視為指示任何未主張之要素對如所主張之本發明之實踐係必不可少的。

本文所述之態樣包括發明者已知用於實施所主張之標的物之一或多種模式。當然，熟習此項技術者在閱讀上述說明後將明瞭彼等態樣之變化形式。發明者期望熟習此項技術者在適當時採用該等變化形式，且發明者意欲以不同於本文具體闡述之方式來實踐所主張之標的物。因此，該所主張之標的物包括如適用法律所容許的本文隨附申請專利範圍中所陳述標的物之所有修改及等效形式。此外，除非本文另有指示或上下文明顯矛盾，否則涵蓋上述要素在其所有可能的變化形式中之任何組合。

200:效率比較圖表 202:基於電漿之能量激發系統曲線/電漿能量曲線/電漿催化曲線 204:線 206:線 208:線 210a:區域 210b:區域 300a:化學解離及複合路徑/路徑 300b:化學解離及複合路徑/路徑 300c:化學解離及複合路徑/路徑 302:電漿 310:單個圖形方案 320:多重反應路徑圖 322a:步驟 322b:步驟 324a:步驟 324b:步驟 324c:步驟 324d:步驟 332:反應 342:路徑 344:反應/路徑 346:反應 348:反應 400:區域隔離反應器/反應器 402:延伸長度之電漿區 404:延伸長度之電漿區域 406:波導 408 ₁:流入口 408 ₂:流入口 408 ₃:流入口 410:第一組熱煙流能/熱煙流能源 412:歐姆加熱器件 414:介電加熱器件 416:電磁能源 418:聲子加熱器件 430:延伸長度之餘輝區 501:區域隔離反應器 502:電漿區域 503:餘輝區域 505:FEWG 508 ₁:流入口 508 ₂:流入口 595:電漿區 596:反應區 600:組態/系統 601:放大器/施加器 602a:反應室 602b:反應室 602c:反應室 602d:反應室 602e:反應室 602f:反應室 603:容器 610:陣列 700A:反應系統/反應器系統 700B:反應器系統 710:控制電路 715:控制信號 722:第一壓力障壁 724:第二壓力障壁 726:噴出埠 730:波導 731:電磁場增強區 732:反應室 733:供應氣體 734:供應氣體入口 735:電漿區域 736:微波輻射 737:電漿 738:出口 745:原材料 746:電漿障擋物 750:截面區域 751:第一截面區域 752:第二截面區域 760:原材料入口 770:反應區 771:甲基自由基 780:碳質材料 782:未轉化之溫室氣體 784:前驅氣體 785:導管 790:再循環供應氣體入口 795:氣固分離器 9A00:圖片 9B00:圖片 9C00:圖片 9D00:圖片 9E00:圖片 9F00:圖片 9G00:圖片 9H00:圖片 9I00:圖片 9J00:圖片 9K00:圖片 9L00:圖片 1002:煉油廠 1004:發電設備 1006:甲烷去碳精製廠 1022:重質石油產物 1024:氫(用於燃料電池) 1026:粉狀碳產物 1030:二氧化碳處理設施 1032:微粒碳固體 1100:方法 1104:操作 1106:操作 1108:操作 1110:操作 A:方向 E1:電極 E2:電極 L:總體長度 L ₀:區段長度 L ₁:區段長度/電漿柱長度 L ₂:區段長度/餘輝柱長度 L _A:區段長度 L _B:區段長度

下文所述圖式僅用於圖解說明目的。該等圖式並非意欲限制本揭示案之範疇。本專利或申請案檔案含有至少一個以彩色繪製之圖式。在請求並支付必要費用後，美國專利暨商標局(U.S. Patent and Trademark Office)將提供帶彩圖之本專利或專利申請公開案之複本。

圖 1圖解說明根據一個態樣的耦合至化石燃料電力生產設施且經組態以生成有用碳固體副產物之例示性負排放反應器。 圖 2圖解說明展示根據一個態樣的參與使用熱催化及電漿催化二者之轉化反應化學之活化能障之圖。 圖 3A-圖 3B圖解說明根據一個態樣的用於將二氧化碳轉化為固體碳、氧及水之化學解離及複合路徑。 圖 3C繪示根據一個態樣顯示單一電子如何可參與多重轉化反應之多重反應路徑圖。 圖 3D顯示根據一個態樣的用於自二氧化碳及水生成固體碳之例示性解離路徑。 圖 3E繪示根據一個態樣，當將水暴露於電漿時生成之各種解離狀態及相關解離截面。 圖 3F繪示根據一個態樣，當將二氧化碳暴露於電漿時生成之各種解離狀態及相關解離截面。 圖 3G係顯示根據一個態樣，當將二氧化碳、水及氮之氣體混合物暴露於電漿時其組合解離之解離及電子路徑的反應圖。 圖 4圖解說明根據一個態樣的包括區域隔離反應器之微波氣體處理系統之簡化垂直截面。 圖 5係根據本揭示案之態樣的具有熱煙流能源之微波氣體處理系統之簡化垂直截面。 圖 6圖解說明根據一個態樣之反應室之陣列。 圖 7A-圖 7B繪示根據各個態樣之實例反應器系統之簡化圖。 圖 8圖解說明根據一個態樣繪示二氧化碳及水之樣品解離狀態之能量調諧圖。 圖 9A-圖 9L係根據當前所揭示之發明性概念產生的碳輸出之各個態樣之掃描電子顯微照片(SEM)影像。 圖 10圖解說明根據一個態樣的耦合至各種化石燃料及溫室氣體來源(包括煉油廠、發電設備及機器精製廠)之二氧化碳處理設施之簡化示意圖。 圖 11圖解說明根據一個態樣之方法之流程圖。

Claims (15)

1. 一種自二氧化碳氣體及水產生固體碳之方法，該方法包括： 在反應器中接收二氧化碳及水，該反應器經組態以生成電漿； 使用該電漿解離該二氧化碳及該水以形成一或多種解離物質； 將該等解離物質暴露於電場，該電場經組態以促進一或多種化學反應； 經由該等化學反應生成固體碳；及 自該反應器輸出該固體碳。
2. 如請求項1之方法，其包括自解離該二氧化碳及該水之一或多種副產物及/或自該一或多種化學反應之一或多種副產物中分離該固體碳。
3. 如請求項1之方法，其中使用該電場促進該等化學反應包括調變由耦合至該反應器之控制電路生成的控制信號之頻率及/或工作循環。
4. 如請求項1之方法，其中該等化學反應包括： 第一反應，其經組態以在單一步驟中自一氧化碳及水生成固體碳；及 第二反應，其經組態以在兩個步驟中自一氧化碳及水生成固體碳。
5. 如請求項1之方法，其中該二氧化碳及該水係自耦合至該反應器之發電設施接收的流出排氣流之組分。
6. 如請求項5之方法，其中生成該固體碳減少該發電設施之碳足跡。
7. 如請求項1之方法，其中該電漿之特徵在於大約100電子伏特(eV)之能量。
8. 如請求項1之方法，其中該電漿之特徵在於約1吉赫至約5吉赫之範圍內之頻率。
9. 如請求項1之方法，其中該固體碳包含一或多種選自由以下組成之群之材料：碳黑、碳奈米洋蔥(CNO)、頸狀CNO、碳奈米球、石墨、熱解石墨、石墨烯、石墨烯奈米粒子、石墨烯微片(graphene platelet)、富勒烯(fullerene)、雜化富勒烯、單壁奈米管及多壁奈米管。
10. 如請求項1之方法，其包括自該反應器中去除氧。
11. 如請求項1之方法，其包括：使用複數個耦合至該反應器之電極生成該電場。
12. 如請求項11之方法，其中該複數個電極中之至少兩個的特徵在於大約180度之相位差。
13. 如請求項1之方法，其中該電場之特徵在於沿該反應器之長度之可變強度。
14. 如請求項1之方法，其中該電場包括交流電(AC)場及/或脈衝直流電(DC)場。
15. 如請求項1之方法，其中該解離係由碰撞該二氧化碳及該水之電子來驅動。

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