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KR20140050037A - 이산화탄소의 포획 및 유기 생성물로의 전환 - Google Patents

이산화탄소의 포획 및 유기 생성물로의 전환 Download PDF

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KR20140050037A
KR20140050037A KR1020147003048A KR20147003048A KR20140050037A KR 20140050037 A KR20140050037 A KR 20140050037A KR 1020147003048 A KR1020147003048 A KR 1020147003048A KR 20147003048 A KR20147003048 A KR 20147003048A KR 20140050037 A KR20140050037 A KR 20140050037A
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cathode
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guanidine
pyrimidine
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KR1020147003048A
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프라새드 라카라주
카일 티미
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리퀴드 라이트 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 이산화탄소의 포획 방법 및 시스템, 및 포획된 이산화탄소를 유기 생성물로 전기화학 전환하는 방법 및 시스템을 개시하고 있다. 상기 방법은 비제한적으로 단계 (A) 내지 (C)를 포함할 수 있다. 단계 (A)는 용매를 전기화학 전지의 제 1 구획에 도입할 수 있다. 단계 (B)는 이산화탄소를 구아니딘, 구아니딘 유도체, 피리미딘 또는 피리미딘 유도체 중 하나 이상으로 포획하여 카르밤산 양쪽성 이온을 형성할 수 있다. 단계 (C)는 음극이 카르밤산 양쪽성 이온을 생성물 혼합물로 환원하기에 충분한 전위를 양극과 음극 사이에 적용할 수 있다.

Description

이산화탄소의 포획 및 유기 생성물로의 전환{CARBON DIOXIDE CAPTURE AND CONVERSION TO ORGANIC PRODUCTS}
본 발명은 일반적으로 전기화학 반응 분야, 더욱 특히 이산화탄소를 포획하는 방법 및/또는 시스템, 및 포획된 이산화탄소를 유기 생성물로 전기화학 전환하는 방법 및/또는 시스템에 관한 것이다.
전기 생성, 운송 및 제조와 같은 활동에서 화석 연료의 연소는 매년 10억 톤의 이산화탄소를 생성한다. 1970년대 이후의 연구는 대기 중 이산화탄소의 농도 증가가 지구의 기후를 바꾸고, 대양의 pH를 변화시키고 잠재적으로 다른 해로운 영향에 책임이 있을 수 있음을 지적하였다. 미국을 비롯한 전세계 나라들은 이산화탄소의 배출을 경감시키기 위한 방법을 찾고 있다.
배출을 경감시키기 위한 메커니즘은 이산화탄소를 연료 및 공업용 화학물질과 같은 경제적으로 가치있는 물질로 전환하는 것이다. 이산화탄소가 재생가능한 공급원으로부터 에너지를 사용하여 전환되는 경우, 이산화탄소 배출을 경감시키고 재생가능한 에너지를 이후에 사용하기 위해 저장될 수 있는 화학물질 형태로 전환하는 것이 모두 가능할 수 있다.
본 발명은 특정한 포획제, 용매, 및/또는 전해질을 사용하여 이산화탄소를 포획/결합하고 포획된 이산화탄소를 유기 생성물로 환원하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 이의 공정, 시스템 및 다양한 구성요소를 포함한다.
전술한 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명은 모두 단지 예시하고 설명하기 위한 것이며 반드시 본 개시내용을 청구된 바로 제한하는 것이 아님이 이해되어야 한다. 본 명세서에 혼입되고 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본원의 실시양태를 예시하고 일반적인 설명과 함께 본원의 원리를 설명하는 것을 돕는다.
본원의 많은 이점은 하기 첨부된 도면을 참고하여 당업자에 의해 더 잘 이해될 것이다.
도 1a는 본원의 실시양태에 따른 바람직한 시스템의 블록 구성도이다.
도 1b는 본원의 또 다른 실시양태에 따른 바람직한 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 이산화탄소의 포획 및 이산화탄소의 전기화학 전환의 바람직한 방법의 흐름도이다.
도 3은 이산화탄소의 포획 및 이산화탄소의 전기화학 전환의 또 다른 바람직한 방법의 흐름도이다.
도 4는 이산화탄소의 포획 및 이산화탄소의 전기화학 전환의 추가의 바람직한 방법의 흐름도이다.
이하에서 본원의 바람직한 실시양태가 상세하게 설명되고, 이의 예는 첨부된 도면에 도시되어 있다.
본원의 바람직한 실시양태에 따라, 이산화탄소를 포획하고 포획된 이산화탄소를 유기 생성물로 전환하는 전기화학 시스템이 제공된다. 포획 공정을 용이하게 하기 위해 이산화탄소 포획제가 사용된다. 본원에서 이산화탄소의 포획은 이산화탄소를 화학물질과 반응시켜 중간체를 형성함으로써 이산화탄소에 결합하는 것을 지칭할 수 있다. 또한, 이산화탄소 포획은 이산화탄소와 화학물질 사이에 상호작용하여 부가물을 형성하는 것을 지칭할 수 있다. 또한, 이산화탄소의 포획은 이산화탄소와 이산화탄소가 발포되는 용매 사이의 상호작용을 지칭할 수 있되, 상기 용매는 이산화탄소를 흡수할 수 있고 수용액보다 이산화탄소에 대하여 강화된 용해도를 갖는다.
본 발명의 임의의 실시양태가 상세하게 설명되기 전에, 하기 기재된 실시양태는 특허청구범위의 범주를 제한하지 않음이 이해되어야 한다. 또한, 본원에 사용된 어법 및 용어는 설명하기 위해서이고 본원을 제한하는 것으로서 간주되지 않아야 함이 이해되어야 한다. 본원에서, 예컨대 "포함하는" 또는 "갖는"과 같은 용어 및 이의 변형의 사용은 일반적으로 이후 나열된 항목 및 이의 등가물 뿐만 아니라 추가 항목을 포괄함을 의미한다. 또한, 달리 언급하지 않으면, 기술 용어는 통상적인 용법에 따라 사용될 수 있다.
특정 바람직한 실시양태에서, 이산화탄소를 포획하고 포획된 이산화탄소를 환원하여 유기 생성물을 생성하는 것은 바람직하게 2개 이상의 구획을 갖는 분열된 전기화학 전지 또는 광전기화학 전지에서 수행될 수 있다. 하나의 구획은 산화에 적합한 양극을 함유하고, 다른 구획은 작동 음극 전극 및 이산화탄소 포획제를 함유한다. 이들 구획은 다공성 유리 프릿(frit), 미소다공성 분리기, 이온 교환 막, 또는 다른 이온 전도 브릿지(bridge)에 의해 분리될 수 있다. 상기 구획은 둘다 일반적으로 전해질의 수용액 또는 비수용액을 함유한다. 이산화탄소 기체는 음극성 전해질 용액을 통해 계속해서 발포되어 바람직하게 용액을 포화시키거나, 용액은 이산화탄소로 미리 포화될 수 있다. 이산화탄소를 전해질 용액 및/또는 이산화탄소 포획제와 혼합하는 것은 음극 챔버 내에서 발생할 수 있거나 음극 챔버의 외부 혼합 챔버에서 발생할 수 있다.
도 1a를 참고하여, 본 발명의 실시양태에 따라 시스템(100)의 블록 구성도가 제시된다. 시스템(100)은 이산화탄소를 포획하고 포획된 이산화탄소를 유기 생성물로 전환하기 위해 사용될 수 있다. 시스템(또는 장치)(100)은 일반적으로 전지(또는 용기)(102), (전지(102)에 용매를 공급하기 위한) 유체 공급원(104), 에너지 공급원(106), 기체 공급원(108), 생성물 추출기(110) 및 산소 추출기(112)를 포함한다. 생성물 또는 생성물 혼합물은 추출 후 생성물 추출기(110)로부터 배출될 수 있다. 산소를 함유하는 배출 기체는 추출 후 산소 추출기(112)로부터 배출될 수 있다.
전지(102)는 분열된 전지로서 시행될 수 있다. 분열된 전지는 분열된 전기화학 전지 및/또는 분열된 광화학 전지일 수 있다. 전지(102)는 일반적으로 이산화탄소(CO2)를 포획하고 이산화탄소를 생성물 또는 생성물 중간체로 환원하도록 작동된다. 특정 실행에서, 전지(102)는 이산화탄소를 구조 및/또는 분자에 결합하고/하거나 용매 중 이산화탄소의 용해도를 증가시킴으로써 이산화 탄소를 포획하도록 작동한다. 환원은 일반적으로 이산화탄소를 전지(102) 중 전해질 용액에 도입(예를 들어, 발포)함으로써 발생한다. 전지 중 이산화탄소 포획제는 도입된 이산화탄소의 적어도 일부를 포획할 수 있다. 또 다른 실시양태(도 1b에 도시됨)에서, 이산화탄소 포획제 및 이산화탄소는 이산화탄소의 포획을 허용하도록 음극 챔버의 외부에 상호작용한 후 음극 챔버에 도입된다. 전지(102) 중 음극(120)은 포획된 이산화탄소를 생성물 혼합물로 환원할 수 있고, 이때 생성물 혼합물은 바람직하게 유기 생성물을 포함한다.
전지(102)는 일반적으로 2개 이상의 구획(또는 챔버)(114a, 114b), 분리기(또는 막)(116), 양극(118) 및 음극(120)을 포함한다. 양극(118)은 정해진 구획(예를 들어, 114a)에 배치될 수 있다. 음극(120)은 양극(118)으로서 분리기(116)의 반대쪽 측면 상의 또 다른 구획(예를 들어, 114b)에 배치될 수 있다. 특정 실시양태에서, 음극(120)은 카드뮴, 카드뮴 합금, 코발트, 코발트 합금, 니켈, 니켈 합금, 크로뮴, 크로뮴 합금, 인듐, 인듐 합금, 철, 철 합금, 구리, 구리 합금, 납, 납 함금, 팔라듐, 팔라듐 합금, 백금, 백금 합금, 몰리브덴, 몰리브덴 합금, 텅스텐, 텅스텐 합금, 니오븀, 니오븀 합금, 은, 은 합금, 주석, 주석 합금, 로듐, 로듐 합금, 루테늄, 루테늄 합금, 탄소 및 이들의 혼합물을 포함하는 이산화탄소의 환원에 적합한 물질을 포함한다. 전해질 용액(122)(예를 들어, 양극액 또는 음극액(112))은 구획 114a 및 114b 둘다를 충전할 수 있다. 전해질 용액(112)은 용액 중 다양한 양이온 및 음이온을 제공하기 위한 수용성 염을 갖는 용매로서 물을 포함할 수 있지만, 유기 용매가 또한 사용될 수 있다. 이산화탄소 포획제(124)는 바람직하게 구획(114b)에 첨가되고, 특정 실행에서는 또한 구획(114a)에 첨가되고, 다른 실행에서는 구획(114b)의 외부 혼합 챔버(132)에 첨가된다(도 1b 참조). 예를 들어, 이산화탄소 포획제(124)는 전지(102)의 구획(114a 및 114b)을 위한 용매 및/또는 전해질로서 사용될 수 있다.
특정 실행에서, 이산화탄소 포획제(124)는 구아니딘, 구아니딘 유도체, 피리미딘 또는 피리미딘 유도체 중 하나 이상을 포함한다. 바람직한 구아니딘 및 구아니딘 유도체는 1,1,3,3-테트라메틸구아니딘, 1,5,7-트라이아자바이사이클로[4.4.0]데크-5-엔, 7-메틸-1,5,7-트라이아자바이사이클로[4.4.0]데크-5-엔, 1,8-다이아자바이사이클로[5.4.0]운데크-7-엔, 1,5,-다이아자바이사이클로[4.3.0]논-5-엔 및 1,4,5,6-테트라하이드로피리미딘을 포함한다. 이러한 실행에서, 전지(102)는 바람직하게 수성 용매, 아세토니트릴, 다이메틸푸란을 포함하는 용매, 또는 다른 유기 용매, 또는 물과 유기 용매의 혼합물(약 1 부피% 내지 100 부피%의 물을 포함)을 포함한다. 이산화탄소 포획제(124)는 이산화탄소와 카르밤산 양쪽성 이온을 형성함으로써 구획(114b)(또는 혼합 챔버(132))에서 이산화탄소의 포획을 용이하게 할 수 있다. 양극(118)과 음극(120) 사이에 전위를 적용할 시, 카르밤산 양쪽성 이온은 음극(120)에서 환원되어 유기 생성물을 생성하고 이산화탄소 포획제를 재생한다. 유기 생성물은 아세트알데하이드, 아세테이트, 아세트산, 아세톤, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-부탄온, 탄소, 일산화탄소, 카보네이트, 에탄, 에탄올, 에틸렌, 포름알데하이드, 포름에이트, 포름산, 글라이콜레이트, 글라이콜산, 글라이옥살, 글라이옥실산, 그라피트, 이소프로판올, 락테이트, 락트산, 메탄, 메탄올, 옥살레이트, 옥살산, 프로판알, 1-프로판올, 및 이산화탄소를 함유하는 중합체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또 다른 특정 실행에서, 이산화탄소 포획제는 구아니디늄계 양이온 또는 피리미듐계 양이온 중 하나 이상을 포함하고, 바람직하게는 할라이드 음이온, 설페이트 음이온, 포스페이트 음이온, 니트레이트 음이온 또는 다른 음이온을 포함하는 이온성 액체이다. 이온성 액체는 이산화탄소 포획제(124), 용매 및 전해질로서 작용할 수 있다. 이온성 액체는 수성 용매와 비교하여 이산화탄소의 용해도를 증가시킴으로써 (구획(114b) 또는 혼합 챔버(132)에서) 이산화탄소의 포획을 용이하게 할 수 있다. 양극(118)과 음극(120) 사이에 전위를 적용할 시, 포획된 이산화탄소는 음극(120)에서 환원되어 유기 생성물을 생성한다. 유기 생성물은 아세트알데하이드, 아세테이트, 아세트산, 아세톤, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-부탄온, 탄소, 일산화탄소, 카보네이트, 에탄, 에탄올, 에틸렌, 포름알데하이드, 포름에이트, 포름산, 글라이콜레이트, 글라이콜산, 글라이옥살, 글라이옥실산, 그라피트, 이소프로판올, 락테이트, 락트산, 메탄, 메탄올, 옥살레이트, 옥살산, 프로판알, 1-프로판올, 및 이산화탄소를 함유하는 중합체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또 다른 실행에서, 이산화탄소 포획제(124)는 비수성 유기 용매를 포함한다. 이러한 유기 용매는 바람직하게 메탄올, 아세토니트릴 및 다이메틸푸란 중 하나 이상을 포함하고, 수성 용매와 비교하여 이산화탄소에 대한 더 높은 용해도 제한을 포함함으로써 이산화탄소의 포획을 돕는 다른 유기 용매를 포함할 수도 있다. 이산화탄소의 포획은 구획(114b) 및 혼합 챔버(132) 중 하나 이상에서 발생할 수 있다. 이 실행에서, 전지(102)는 비수성 용매에 적합한 전해질, 바람직하게 4차 암모늄 양이온을 갖는 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 할라이드계 음이온을 포함할 수 있다. 구획(114b)은 바람직하게 음극(120)에서 이산화탄소의 환원이 용이하도록 피리딘계 촉매를 포함한다. 양극(118)과 음극(120) 사이에 전위를 적용할 시, 포획된 이산화탄소는 음극(120)에서 환원되어 유기 생성물을 생성한다. 유기 생성물은 일산화탄소, 카보네이트 및 옥살레이트 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
구획(114b)의 pH는 바람직하게 약 1 내지 9이다. 약 1 내지 약 4의 pH 범위가 이산화탄소로부터 카복실산을 생성하기에 바람직하다. 약 4 내지 약 9의 pH 범위가 이산화탄소로부터 다른 유기 생성물(예를 들어, 카보네이트, 카복실레이트, 알데하이드, 케톤, 알코올, 알칸 및 알켄)을 생성하기에 바람직하다. 예컨대, 이산화탄소 포획제(124)가 이온성 액체 또는 유기 용매를 포함하는 경우, 다른 pH 값이 사용될 수도 있다.
유체 공급원(104)은 바람직하게 물 공급원을 포함함으로써 유체 공급원(104)은 순수한 물을 전지(102)에 제공할 수 있다. 유체 공급원(104)은 전지(102)에 메탄올, 아세토니트릴 및 다이메틸푸란과 같은 유기 용매를 포함하는 다른 유체를 제공할 수 있다. 또한, 유체 공급원(104)은 전지(102)에 유기 용매 및 물의 혼합물을 제공할 수 있다. 이산화탄소 포획제(124)가 이온성 액체인 실행에서, 유체 공급원(104)은 이온성 액체를 전지(102)에 제공할 수 있다.
에너지 공급원(106)은 가변 전원을 포함할 수 있다. 에너지 공급원(106)은 양극(118)과 음극(120) 사이에 전위를 생성하도록 작동될 수 있다. 전위는 DC 전압일 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 적용된 전위는 일반적으로 음극에서 약 -0.5V 대 SCE 내지 약 -3V 대 SCE, 바람직하게는 음극에서 약 -0.6V 대 SCE 내지 약 -2.5V 대 SCE이다.
기체 공급원(108)은 바람직하게 이산화탄소 공급원을 포함한다. 일부 실시양태에서, 이산화탄소는 음극(120)을 함유하는 구획(114b)내에 직접 발포된다. 예를 들어, 구획(114b)은 이산화탄소 주입구, 예컨대 이산화탄소 공급원과 음극(120) 사이에 커플링 되도록 설정된 포트(126a)를 포함할 수 있다. 다른 바람직한 실시양태에서, 기체 공급원(108)으로부터의 이산화탄소는 도 1b에 나타낸 바와 같이, 혼합 챔버(132)에 도입된다. 또한, 이산화탄소 포획제(124)는 혼합 챔버(132)에 도입될 수 있다. 혼합 챔버(132)는 일반적으로 이산화탄소와 이산화탄소 포획제(124) 사이의 상호작용을 용이하게 하여 혼합 챔버(132) 내에 이산화탄소의 포획을 허용한다. 특정 실행에서, 혼합 챔버(132)는 이산화탄소와 이산화탄소 포획제(124) 사이의 상호작용이 용이하도록 스트리핑 컬럼을 포함한다. 포획된 이산화탄소는 음극 구획(114b)에 도입되어 음극(120)에서 포획된 이산화탄소를 환원하여 생성물 혼합물을 생성하고 이산화탄소 포획제(134)를 재생할 수 있다.
유리하게, 이산화탄소는 임의의 공급원(예를 들어, 화석 연료 연력 또는 공업 공정으로부터의, 지열 또는 천연 기체 웰 또는 대기 자체로부터의 배기 스트림)으로부터 수득될 수 있다. 가장 적합하게, 이산화탄소는 농축된 점 공급원의 생성으로부터 수득된 후 대기 중으로 방출될 수 있다. 예를 들어, 고농도 이산화탄소 공급원은 종종 화석 연료(예를 들어, 석탄, 천연 가스, 오일 등) 연력 공정의 연료 가스에 존재하는 5% 내지 50% 양의 천연 가스를 수반할 수 있고, 고순도 이산화탄소는 시멘트 공장으로부터, 에탄올의 공업용 발효에 사용된 발효조로부터, 비료 및 정제유 생성물의 제조로부터 배출될 수 있다. 또한, 특정한 지열 스트림은 유의한 양의 이산화탄소를 함유할 수 있다. 지열 웰을 포함하는 다양한 공업으로부터의 이산화탄소 배출은 현장 포획될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일부 실시양태에 따라 대기에 존재하는 이산화탄소의 포획 및 사용은 일반적으로 이산화탄소가 재생가능하고 본질적으로 비제한된 탄소의 공급원일 수 있게 한다.
생성물 추출기(110)는 유기 생성물 및/또는 무기 생성물 추출기를 포함할 수 있다. 생성물 추출기(110)는 일반적으로 전해질(122) 및/또는 이산화탄소 포획제(124)로부터 하나 이상의 생성물의 추출을 용이하게 한다. 추출은 고체 흡수제, 이산화탄소-지원형 고체 흡수제, 액체-액체 추출, 나노여과 및 전기 투석 중 하나 이상을 통해 발생할 수 있다. 추출된 생성물은 후속 저장, 소비 및/또는 다른 기구 및/또는 공정에 의한 가공을 위해 시스템(100)의 포트(126b)를 통해 제시될 수 있다. 특정 실행에서, 생성물은 전지(102)로부터 계속해서 제거되고, 이때 전지(102)는 예를 들어 새로운 음극액 및 이산화탄소가 주입으로서 계속해서 공급되고, 반응기로부터의 생성이 계속해서 제거될 경우 연속 유체-단일 통과 반응기를 통해 연속 기점상에서 작동한다. 이산화탄소 포획제(124)는 추가 이산화탄소의 포획을 위해 구획(114b) 내로 다시 재순환될 수 있다.
도 1의 산소 추출기(112)는 일반적으로 이산화탄소의 환원 및/또는 물의 산화에 의해 생성된 산소(예를 들어, O2) 부산물을 추출하도록 작동된다. 바람직한 실시양태에서, 산소 추출기(112)는 분리기/플래시 탱크(flash tank)이다. 추출된 산소는 다른 기구 및/또는 공정에 의해 후속 저장 및/또는 소비를 위한 시스템(100)의 포트(128)를 통해 제시될 수 있다. 또한, 염소 및/또는 산화 진화된 화학물질은 예를 들어 양극(118)에서 발생하는 산화 진화 이외의 공정의 실시양태에서, 일부 설정 중 부산물일 수 있다. 이러한 공정은 염소 진화, 다른 시장성 생성물로의 유기물의 산화, 폐수 정화 및 전기방식용 양극의 부식을 포함할 수 있다. 이산화탄소의 환원에 의해 생성된 임의의 다른 과잉 기체(예를 들어, 수소)는 포트(130)를 통해 전지(102)로부터 배기될 수 있다.
도 2를 참조하여, 이산화탄소의 포획 및 이산화탄소의 전기화학 전환을 위한 바람직한 방법(200)의 흐름도가 제시된다. 방법(또는 공정)(200)은 일반적으로 단계(또는 블록)(202, 204 및 206)를 포함한다. 방법(200)은 시스템(100)을 사용하여 시행될 수 있다.
단계(202)에서, 용매는 전기화학 전지의 제 1 구획에 도입될 수 있다. 제 1 구획은 양극을 포함할 수 있다. 또한, 전기화학 전지는 양극을 함유하는 제 2 구획을 포함할 수 있다. 구아니딘, 구아니딘 유도체, 피리미딘 또는 피리미딘 유도체 중 하나 이상을 사용하여 이산화탄소를 포획하는 것은 단계(204)에서 수행될 수 있다. 단계(206)에서, 음극이 카르밤산 양쪽성 이온을 생성물 혼합물로 환원하기에 충분한 전위를 양극과 음극 사이에 적용할 수 있다. 생성물 혼합물은 아세트알데하이드, 아세테이트, 아세트산, 아세톤, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-부탄온, 탄소, 일산화탄소, 카보네이트, 에탄, 에탄올, 에틸렌, 포름알데하이드, 포름에이트, 포름산, 글라이콜레이트, 글라이콜산, 글라이옥살, 글라이옥실산, 그라피트, 이소프로판올, 락테이트, 락트산, 메탄, 메탄올, 옥살레이트, 옥살산, 프로판알, 1-프로판올, 및 이산화탄소를 함유하는 중합체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하여, 이산화탄소의 포획 및 이산화탄소의 전기화학 전환을 위한 또 다른 바람직한 방법(300)의 흐름도가 제시된다. 방법(또는 공정)(300)은 일반적으로 단계(또는 블록)(302, 304 및 306)를 포함한다. 방법(300)은 시스템(100)을 사용하여 시행될 수 있다.
단계(302)에서, 이온성 액체는 전기화학 전지의 음극 구획 또는 혼합 챔버 중 하나 이상에 도입될 수 있다. 이온성 액체는 구아니디늄계 양이온 또는 피리미듐계 양이온 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 전기화학 전지는 양극 구획에서 양극을 포함할 수 있고 음극 구획에서 음극을 포함할 수 있다. 이온성 액체를 사용하여 이산화탄소를 포획하는 것은 단계(304)에서 수행될 수 있다. 제 2 구획은 음극을 포함할 수 있다. 단계(306)에서, 음극이 포획된 이산화탄소를 생성물 혼합물로 환원하기에 충분한 전위를 양극과 음극 사이에 적용할 수 있다. 생성물 혼합물은 아세트알데하이드, 아세테이트, 아세트산, 아세톤, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-부탄온, 탄소, 일산화탄소, 카보네이트, 에탄, 에탄올, 에틸렌, 포름알데하이드, 포름에이트, 포름산, 글라이콜레이트, 글라이콜산, 글라이옥살, 글라이옥살산, 그라피트, 이소프로판올, 락테이트, 락트산, 메탄, 메탄올, 옥살레이트, 옥살산, 프로판알, 1-프로판올, 이산화탄소를 함유하는 중합체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 4를 참조하여, 이산화탄소의 포획 및 이산화탄소의 전기화학 전환을 위한 또 다른 바람직한 방법(400)의 흐름도가 제시된다. 방법(또는 공정)(400)은 일반적으로 단계(또는 블록)(402, 404 및 406)를 포함한다. 방법(400)은 시스템(100)을 사용하여 시행될 수 있다.
단계(402)에서, 이산화탄소 포획제는 전기화학 전지의 음극 구획 또는 혼합 챔버 중 하나 이상에 도입될 수 있다. 이산화탄소 포획제는 유기 용매를 포함할 수 있다. 전기화학 전지는 양극 구획에서 양극을 포함할 수 있고 음극 구획에서 음극 및 피리딘계 촉매를 포함할 수 있다. 이산화탄소 포획제를 사용하여 이산화탄소를 포획하는 것은 단계(404)에서 수행될 수 있다. 제 2 구획은 음극 및 피리딘계 촉매를 포함할 수 있다. 단계(406)에서, 음극이 포획된 이산화탄소를 생성물 혼합물로 환원하기에 충분한 전위를 양극과 음극 사이에 적용할 수 있다. 생성물 혼합물은 일산화탄소, 카보네이트 및 옥살레이트 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 개시내용 및 이의 수반되는 많은 이점은 상기한 설명에 의해 이해될 것으로 여겨지고, 본원의 범주 및 취지를 벗어나지 않거나 이의 물질의 모든 이점을 희생시키지 않고 이의 구성요소의 형태, 구성 및 배열에 다양한 변화가 만들어질 수 있음이 분명하다. 본원에 상기 기재된 형태는 단지 이의 예시적인 실시양태일 뿐이고, 하기 특허청구범위는 상기 변화를 포괄하고 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (21)

  1. (A) 용매를 전기화학 전지의 제 1 구획에 도입하되, 제 1 구획은 양극을 포함하고, 전기화학 전지는 음극을 함유하는 제 2 구획을 포함하는, 단계;
    (B) 이산화탄소를 구아니딘, 구아니딘 유도체, 피리미딘 또는 피리미딘 유도체 중 하나 이상으로 포획하여 카르밤산 양쪽성 이온을 형성하는 단계; 및
    (C) 음극이 카르밤산 양쪽성 이온을 생성물 혼합물로 환원하기에 충분한 전위를 양극과 음극 사이에 적용하는 단계
    를 포함하는 이산화탄소의 전기화학 전환 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    이산화탄소를 구아니딘, 구아니딘 유도체, 피리미딘 또는 피리미딘 유도체 중 하나 이상으로 포획하여 카르밤산 양쪽성 이온을 형성하는 단계가, 제 2 구획에서 이산화탄소를 구아니딘, 구아니딘 유도체, 피리미딘 또는 피리미딘 유도체 중 하나 이상으로 포획하여 카르밤산 양쪽성 이온을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    이산화탄소를 구아니딘, 구아니딘 유도체, 피리미딘 또는 피리미딘 유도체 중 하나 이상으로 포획하여 카르밤산 양쪽성 이온을 형성하는 단계가, 혼합 챔버에서 이산화탄소를 구아니딘, 구아니딘 유도체, 피리미딘 또는 피리미딘 유도체 중 하나 이상으로 포획하여 카르밤산 양쪽성 이온을 형성한 후 포획된 이산화탄소를 제 2 구획으로 전달하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    음극이 카르밤산 양쪽성 이온을 생성물 혼합물로 환원하기에 충분한 전위를 양극과 음극 사이에 적용하는 단계가, 음극이 카르밤산 양쪽성 이온을 생성물 혼합물로 환원하고 구아니딘, 구아니딘 유도체, 피리미딘 또는 피리미딘 유도체 중 하나 이상을 재생하기에 충분한 전위를 양극과 음극 사이에 적용하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 2 구획이 1,1,3,3-테트라메틸구아니딘, 1,5,7-트라이아자바이사이클로[4.4.0]데크-5-엔, 7-메틸-1,5,7-트라이아자바이사이클로[4.4.0]데크-5-엔, 1,8-다이아자바이사이클로[5.4.0]운데크-7-엔, 1,5-다이아자바이사이클로[4.3.0]논-5-엔 또는 1,4,5,6-테트라하이드로피리미딘 중 하나 이상을 포함하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    용매가 물, 메탄올, 아세토니트릴, 다이메틸푸란, 또는 물 및 유기 용매의 혼합물 중 하나 이상인 방법.
  7. 제 1 전지 구획,
    상기 제 1 전지 구획 내에 위치된 양극,
    제 2 전지 구획, 및
    상기 제 2 전지 구획 내에 위치된 음극
    을 포함하는 전기화학 전지;
    카르밤산 양쪽성 이온; 및
    상기 양극 및 상기 음극과 작동가능하게 커플링되어 있고, 상기 양극과 상기 음극 사이에 전압을 적용하여 상기 음극에서 카르밤산 양쪽성 이온을 생성물 혼합물로 환원하도록 설정된 에너지 공급원
    을 포함하는 이산화탄소의 전기화학 환원 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    카르밤산 양쪽성 이온이 이산화탄소를 구아니딘, 구아니딘 유도체, 피리미딘 또는 피리미딘 유도체 중 하나 이상과 상호작용하여 형성된 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    카르밤산 양쪽성 이온이 (a) 제 2 전지 구획 내 또는 (b) 혼합 챔버 중 하나 이상에서 형성된 후 상기 제 2 전지 구획에 도입되는 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    에너지 공급원이 상기 양극과 상기 음극 사이에 전압을 적용하여 구아니딘, 구아니딘 유도체, 피리미딘 또는 피리미딘 유도체 중 하나 이상을 재생하도록 추가로 설정된 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서,
    제 2 구획이 1,1,3,3-테트라메틸구아니딘, 1,5,7-트라이아자바이사이클로[4.4.0]데크-5-엔, 7-메틸-1,5,7-트라이아자바이사이클로[4.4.0]데크-5-엔, 1,8-다이아자바이사이클로[5.4.0]운데크-7-엔, 1,5-다이아자바이사이클로[4.3.0]논-5-엔 또는 1,4,5,6-테트라하이드로피리미딘 중 하나 이상을 포함하는 시스템.
  12. (A) 이온성 액체를 전기화학 전지의 음극 구획 또는 혼합 챔버 중 하나 이상에 도입하되, 이온성 액체가 구아니디늄계 양이온 또는 피리미듐계 양이온 중 하나 이상을 포함하고, 전기화학 전지가 양극 구획에서 양극을 포함하고 음극 구획에서 음극을 포함하는, 단계;
    (B) 이산화탄소를 이온성 액체로 포획하는 단계; 및
    (C) 음극이 포획된 이산화탄소를 생성물 혼합물로 환원하기에 충분한 전위를 양극과 음극 사이에 적용하는 단계
    를 포함하는 이산화탄소의 전기화학 전환 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    이온성 액체가 할라이드 음이온, 설페이트 음이온, 포스페이트 음이온 또는 니트레이트 음이온 중 하나 이상을 추가로 포함하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    이산화탄소를 이온성 액체로 포획하는 단계가, 음이온 구획에서 이산화탄소를 이온성 액체로 포획하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    이산화탄소를 이온성 액체로 포획하는 단계가, 혼합 챔버에서 이산화탄소를 이온성 액체로 포획하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    포획된 이산화탄소를 음극 구획으로 전달하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  17. (A) 이산화탄소 포획제를 전기화학 전지의 음극 구획 또는 혼합 챔버 중 하나 이상에 도입하되, 이산화탄소 포획제가 유기 용매를 포함하고, 전기화학 전지가 양극 구획에서 양극을 포함하고 음극 구획에서 음극 및 피리딘계 촉매를 포함하는, 단계;
    (B) 이산화탄소를 이산화탄소 포획제로 포획하는 단계; 및
    (C) 음극이 포획된 이산화탄소를 생성물 혼합물로 환원하기에 충분한 전위를 양극과 음극 사이에 적용하는 단계
    를 포함하는 이산화탄소의 전기화학 전환 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    유기 용매가 메탄올, 아세토니트릴 또는 다이메틸푸란 중 하나 이상을 포함하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    이산화탄소를 이산화탄소 포획제로 포획하는 단계가, 음극 구획에서 이산화탄소를 이산화탄소 포획제로 포획하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    이산화탄소를 이산화탄소 포획제로 포획하는 단계가, 혼합 챔버에서 이산화탄소를 이산화탄소 포획제로 포획하는 단계를 포함하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    포획된 이산화탄소를 음극 구획으로 전달하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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