JP2023549153A - 電気化学的ガス分離用複合体 - Google Patents

Abstract

複合体は、カーボンナノチューブ不織マットと、カーボンナノチューブ不織マット上に配置された電気活性種とを含み、電気活性種が還元状態にあるときに標的ガスと結合し、電気活性種が酸化状態にあるときに標的ガスを放出することができる。複合体を含む、電極アセンブリ、電気化学セル、及びガス分離システムもまた、本明細書に記載される。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年１１月１０日に出願された米国仮出願第６３／１１１，７６１号の優先権を主張し、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

連邦研究報告
本発明は、米国エネルギー省科学局ＳＣ－１によって与えられた受賞番号ＤＥ－ＳＣ００２０９１５の下で政府支援を受けて行われた。政府は、本発明に対して一定の権利を有する。

ガス混合物から標的種を除去することは、多くの研究開発の主題であった。例えば、二酸化炭素の排出を抑制することによって地球温暖化を緩和する取り組みが行われてきた。この目的のために、二酸化炭素をその生成の異なる段階で捕捉しようとして、従来の熱的方法を含む多くのアプローチが検討されてきた。標的ガス除去の他の潜在的な用途には、空気又は換気空気から標的ガスを直接除去することが含まれる。

エレクトロスイング（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｗｉｎｇ）吸着は、ガス状混合物から標的ガスを捕捉する代替方法である。一般に、エレクトロスイング吸着セル内の電極は、炭素繊維紙等の導電性足場を含み、電子の伝導経路の提供、活物質が電解質と接触するための表面積、及び多孔質構造を保持するための機械的支持を含むいくつかの機能を果たしている。

ガス混合物から標的種を捕捉するための改良された材料及び方法に対する必要性が依然として存在する。より薄い電極を有するエレクトロスイング吸着セルを用いて標的ガスを捕捉する方法を提供することは、特に有利であろう。

米国特許出願第１６／６５９，３９８号

複合体は、複数の絡み合ったカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ不織マットと；カーボンナノチューブ不織マット上に配置された電気活性種を含み、電気活性種は、電気活性種が還元状態にあるときに標的ガスと結合し、電気活性種が酸化状態にあるときに標的ガスを放出できる。

電極アセンブリは、多孔質セパレータと、複合体とを含む。

電気化学セルは、複合体を含む。

ガス分離システムは、ガス入口及びガス出口と流体連通している複数の電気化学セルを含む。

複合体の製造方法は、カーボンナノチューブ不織マットを電気活性種と接触させる工程を含む。

複合体の製造方法は、複数の電気活性モノマーと、少なくとも１つの開始剤と、任意選択で架橋剤とを含む溶液をカーボンナノチューブ不織マットと接触させる工程と、カーボンナノチューブ不織マットの存在下で重合を開始させる工程とを含む。

上述した特徴及び他の特徴は、以下の図及び詳細な説明によって例示される。

以下の図は、同等の素子に同様の番号が付けられた例示的な実施形態である。

電気化学セルの概略図である。 ポリマーで被覆されたカーボンナノチューブのマットを含む導電性足場の概略図である。 炭素繊維紙上に堆積したポリマー被覆カーボンナノチューブを含む導電性足場の概略図である。 実施例１の密閉セルのセル電圧（ボルト）及び電流（アンペア）対時間（秒）のグラフである。 充放電容量（ミリアンペア時間）及びガス圧力（ｐｓｉ）対時間のグラフであり、実施例１による電気化学セルからのＣＯ_２の捕捉及び放出を示す。 実施例２に記載の電極を作製するための電気化学的グラフト中の電流（アンペア）対印加電位（ボルト）のグラフである。 実施例２の電極を作製するために使用した電圧スイープ３０サイクルについて、サイクル数の関数として通過した電荷（クーロン）を示したグラフである。 実施例２による電気化学セルについてのセル電圧（ボルト）及び電流（アンペア）対時間（秒）のグラフである。 充放電容量（ミリアンペア時間）及びガス圧力（ｐｓｉ）対時間のグラフであり、実施例２による電気化学セルからのＣＯ_２の捕捉及び放出を示す。 実施例３の組成物についてのフラックス（ｇ・ｍ^－２・時^－１）対Ｎ_２中の％ＣＯ_２のグラフである。 １０ｋＶの加速電圧を用いた１０Ｋ倍の倍率での、実施例１に記載のポリマーで被覆されたカーボンナノチューブのマットを含む導電性足場の走査電子顕微鏡写真である。 １０ｋＶの加速電圧を用いた２５Ｋ倍の倍率での、実施例１に記載のポリマーで被覆されたカーボンナノチューブのマットを含む導電性足場の電子顕微鏡写真である。

本発明者らは、カーボンナノチューブ不織マットと、カーボンナノチューブ不織マット上に配置された電気活性種とを含む複合体が、電極アセンブリ、電気化学セル、及びガス分離システムにおいて特に有用であることを予想外に発見した。より具体的には、本明細書に記載の複合体は、電気化学的プロセスによってガス混合物から標的ガス（例えば、ＣＯ_２又はＳＯ_２）を分離するのに有用であり得る。有利なことに、比較的薄いカーボンナノチューブマットは、より厚い又はより多孔性の低い材料を使用する場合よりも高い捕捉率を可能にする。
更に、カーボンナノチューブマット上に電気活性種を被覆することで、改善されたサイクル寿命を提供することができる。したがって、本開示の複合体によって、大幅な改善が実現される。

したがって、本開示の一態様は、複合体である。複合体は、カーボンナノチューブ不織マットと、カーボンナノチューブ不織マット上に配置された電気活性種とを含む。

カーボンナノチューブ不織マットは、複数の絡み合ったカーボンナノチューブを含む。カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、又はそれらの組み合わせを含み得る。一態様において、カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブである。一態様において、カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブである。カーボンナノチューブマットは多孔質であり、概ね任意の好適な多孔率を有し得る。

カーボンナノチューブは、５０ナノメートル以下の平均直径を有し得る。この範囲内で、カーボンナノチューブは、１～５０ナノメートル、又は１～４０ナノメートル、又は１～３０ナノメートル、又は１～２０ナノメートルの平均直径を有し得る。

カーボンナノチューブは、５００ナノメートル～２ミリメートル、例えば、１マイクロメートル～２ミリメートルの平均長さを有し得る。この範囲内で、カーボンナノチューブは、少なくとも７５０ナノメートル、又は少なくとも１マイクロメートル、又は少なくとも５マイクロメートル、又は少なくとも１０マイクロメートル、又は少なくとも５０マイクロメートル、又は少なくとも１００マイクロメートル、又は少なくとも５００マイクロメートルの平均長さを有し得る。また、この範囲内で、カーボンナノチューブは、最大１．５ミリメートル、又は最大１ミリメートル、又は最大７５０マイクロメートル、又は最大５００マイクロメートル、又は最大２５０マイクロメートル、又は最大１００マイクロメートルの平均長さを有し得る。２マイクロメートル（μｍ）～１ｍｍ、又は１０μｍ～１００μｍの長さを有するカーボンナノチューブの使用が開示される。

カーボンナノチューブは、２０：１～１０^９：１、又は２０：１～１０^６：１、又は２０：１～１００，０００：１、又は２０：１～１，０００：１のアスペクト比を有し得る。アスペクト比は、長さ：幅、例えば、平均長さ：平均幅であり得る。

平均直径、平均長さ、及びアスペクト比を含むカーボンナノチューブの物理的特性は、適切なイメージング技術、例えば走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）又は透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を使用して決定することができる。

カーボンナノチューブは、酸化型、還元型、又は官能化されたものであり得る。別の言い方をすれば、カーボンナノチューブは、酸素含有基、水素、他の官能基（例えば、スルホネート、ホスホネート、アンモニウム、カルボキシレート、又はこれらの組み合わせ）、又はこれらの組み合わせを含み得る。

カーボンナノチューブマットは、複合体の総質量に対して、複合体の１０～９０質量％を占め得る。この範囲内で、カーボンナノチューブマットは、複合体の総質量に対して、それぞれ２５～９０質量％、又は２５～８０質量％、又は３０～７５質量％、又は４０～６０質量％を占め得る。一態様において、カーボンナノチューブマットは、複合体の総体積に対して、複合体の体積の１０～５０％、例えば１０～４０体積％、又は１０～３０体積％、又は１０～２５体積％、又は１５～２０体積％を占め得る。

カーボンナノチューブ不織マットは、少なくとも１００キロパスカル（ｋＰａ）の引張強度を有し得る。例えば、カーボンナノチューブ不織マットは、少なくとも２００ｋＰａ、又は少なくとも４００ｋＰａ、例えば、１００ｋＰａ～１００００ｋＰａの引張強度を有し得る。このような引張強度は、複合体のロールツーロール加工を容易にするために有用であり得る。

例示的なカーボンナノチューブマットとしては、ＮａｎｏＣｏｍｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から商品名ＭＩＲＡＬＯＮで市販されているものを挙げることができる。

一態様において、カーボンナノチューブマットは、例えば、溶媒中に複数のカーボンナノチューブを含む分散液を形成することによって調製することができる。カーボンナノチューブは、上述したものであり得る。

複合体は、カーボンナノチューブ不織マット上に配置された電気活性種を含む。一態様において、電気活性種は、カーボンナノチューブ不織マットの表面上にあり得る。一態様において、電気活性種は、カーボンナノチューブ不織マットのカーボンナノチューブの表面上にあり得る。電気活性種は、マット上に直接配置され得る（すなわち、電気活性種とカーボンナノチューブとの間に介在層又は材料が存在しない）。一態様において、１つ以上の介在層が、電気活性種とカーボンナノチューブの表面又はカーボンナノチューブマットの表面との間に配置され得る。

電気活性種は、電気活性種がカーボンナノチューブマットから自由に拡散したり解離したりすることができないように、カーボンナノチューブマットに固定化されていると称されることがある。電気活性種は、様々な方法でカーボンナノチューブマット上に固定化され得る。例えば、電気活性種は、カーボンナノチューブマットの表面に（例えば、共有結合、イオン結合、若しくは分子内相互作用、例えば、静電力、ファンデルワールス力、水素結合、又はそれらの組み合わせを介して）結合されることによってカーボンナノチューブマット上に固定化され得る。一態様において、電気活性種は、カーボンナノチューブマットに吸着されることによって、カーボンナノチューブマット上に固定化され得る。一態様において、電気活性種は、カーボンナノチューブマット上に固定化され得る。電気活性種を固定化することは、電気活性種をカーボンナノチューブマットにグラフト化又は重合すること、例えば、カーボンナノチューブマットのカーボンナノチューブの表面にグラフト化することを含み得るが、これらに限定されない。本明細書で使用される「グラフト化」は、電気活性種とカーボンナノチューブマットとの間に共有結合を生成する化学的又は電気化学的プロセスを指す。一態様において、電気活性種は、カーボンナノチューブマット上に適用又は堆積される組成物、例えば、コーティング又は複合層に含まれることによって、カーボンナノチューブマットに固定化され得る。

本明細書で使用する場合、「電気活性種」は、電気化学セル内の電位に曝露されると酸化又は還元を受ける薬剤（例えば、化学物質）を指す。複合体の電気活性種は、電気活性種が還元状態にあるときに標的ガスと結合し、又は標的ガスに結び付き、電気活性種が酸化状態にあるときに標的ガスを放出することが可能である。別の言い方をすれば、電気活性種は、対応する還元状態まで還元され、還元状態により標的ガスに結び付いて錯体又は付加体を形成し得る。その後の電気活性種の酸化により、標的ガスを放出させることができる。非限定的な例として、電気活性種がベンゾキノンである場合、中性ベンゾキノンは酸化状態であると考えられ、セミキノン（例えば、中性ベンゾキノンに１つの電子を付加した生成物）は１つの還元状態であると考えられ、ベンゾキノンジアニオン（中性ベンゾキノンに１つの電子を付加した生成物）は第２の還元状態とであると考えられるであろう。

複合体の電気活性種は、少なくとも１つの還元状態において、電気活性種が標的ガスに対して強い親和性を有し得るように選択され得る。一態様において、還元状態において、電気活性種は、室温（例えば２３℃）で少なくとも１０^１リットル／モル（Ｍ^－１）、又は少なくとも１０^２Ｍ^－１、又は少なくとも１０^３Ｍ^－１の標的ガスとの結合定数を有し得る。この範囲内で、（還元状態での）電気活性種は、１０^１～１０^２０Ｍ^－１、１０^３～１０^１９Ｍ^－１、１０^４～１０^１８Ｍ^－１、１０^５～１０^１７Ｍ^－１、１０^６～１０^１６Ｍ^－１、又は１０^７～１０^１５Ｍ^－１の標的ガスとの結合定数を有し得る。一態様において、標的ガスとの結合定数は、１０^５～１０^２０Ｍ^－１、又は１０^１０～１０^１５Ｍ^－１である。一態様において、標的ガスは二酸化炭素（ＣＯ_２）であり得、（還元状態での）電気活性種は、１０^１１０^１～１０^１５のＣＯ_２との結合定数を有し得る。一態様において、標的ガスは二酸化硫黄（ＳＯ_２）であり得、電気活性種（還元状態）は、１０^５～１０^２０のＳＯ_２との結合定数を有し得る。

電気活性種は酸化状態を有し得、酸化時に、標的ガスが電気活性種から放出され得る。還元型電気活性種の結合定数は、対応する酸化型電気活性種の結合定数よりも大きくなり得る。したがって、有利な特徴において、標的ガスの捕捉及び放出は、酸化還元サイクリングによって達成され得る。

電気活性種は、数分のオーダー、数秒のオーダー、ミリ秒のオーダー、又はマイクロ秒のオーダー以下の時間尺度で標的ガスに結び付くことが可能である。

一態様において、電気活性種は、電気活性種が標的ガスと結合し得る還元状態を有し得るが、そのために、電気活性種が酸素（Ｏ_２）と反応することが熱力学的に不利である少なくとも１つの温度（例えば、２２３Ｋ以上、２４８Ｋ以上、２７３Ｋ以上、又は２９８Ｋ以上、かつ最大３２３Ｋ、最大３４８Ｋ、又は最大４１３Ｋの範囲、例えば２９８Ｋ）がある。一態様において、電気活性種は、電気活性種が標的ガスと結合し得る還元状態を有し得るが、そのために、酸素との反応の速度、例えば速度定数が、標的ガスの捕捉に見合った時間尺度で反応が起こるには遅すぎるため電気活性種が酸素（Ｏ_２）と反応するのに動力学的に不利である少なくとも１つの温度（例えば、２９８Ｋ）がある。したがって、複合体の電気活性種は、標的ガスの捕捉に向けた好適な特異性を効果的に提供する。

複合体の電気活性種は、電気活性ポリマー、電気活性オリゴマー、電気活性有機化合物、又はそれらの組み合わせを含み得る。電気活性種は、標的ガスに結合し得る少なくとも１つの官能基、例えばカルボニル基を含むことができる。

例示的な電気活性有機化合物は、置換又は非置換のキノン又はテトロンを含み得るが、これらに限定されない。一態様において、電気活性種は、置換又は非置換キノンを含む（例えば、キノンは、キノンに結合した１つ以上の官能基又は他の部分若しくは連結を含み得る）。置換キノン上の置換基（例えば、官能基）の選択は、置換キノンの還元電位に対する効果を含むがこれに限定されない様々な要因に依存し得る。本開示の利益を受ける当業者は、例えば合成の実現可能性及び結果として生じる還元電位に基づいて、置換キノン上のどの置換基又は置換基の組み合わせが第１の電気活性種に適しているかを決定する仕方を理解するであろう。例示的な官能基としては、ハロ（例えば、クロロ、ブロモ、ヨード）、ヒドロキシル、カルボキシレート／カルボン酸、スルホネート／スルホン酸、アルキルスルホネート／アルキルスルホン酸、ホスホネート／ホスホン酸、アルキルホスホネート／アルキルホスホン酸、アシル（例えば、アセチル又はエチルエステル）、アミノ、アミド、第四級アンモニウム（例えば、テトラアルキルアミノ）、分岐又は非分岐アルキル（例えば、Ｃ_１～１８アルキル）、ヘテロアルキル、アルコキシ、グリコキシ、ポリアルキレングリコキシ（例えば、ポリエチレングリコキシ）、イミノ、ポリイミノ、分岐又は非分岐アルケニル、分岐又は非分岐アルキニル、アリール、ヘテロアリール、ヘテロシクリル、ニトロ、ニトリル、チイル、又はカルボニル基が挙げられるが、これらに限定されず、いずれもが置換又は非置換であってよい。任意の有機又は無機の対イオンが、前述の荷電種、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アンモニウム、又は式Ｒ_４Ｎ^＋（式中、各Ｒは同一又は異なり、独立してＣ_１～１８ヒドロカルビルであるが、少なくとも１つのＲはヒドロカルビルであることを条件とする）の置換アンモニウムに存在し得る。

一態様において、電気活性種は、構造（Ｉ）又は（ＩＩ）

（式中、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、及びＲ^４は、それぞれの出現において独立して、水素、ハロゲン（例えば、クロロ、ブロモ、ヨード）、ヒドロキシル、カルボキシレート／カルボン酸、スルホネート／スルホン酸、アルキルスルホネート／アルキルスルホン酸、ホスホネート／ホスホン酸、アルキルホスホネート／アルキルホスホン酸、アシル（例えば、アセチル又はエチルエステル）、アミノ、アミド、第四級アンモニウム（例えば、テトラアルキルアミノ）、分岐又は非分岐Ｃ_１～１８アルキル、ヘテロアルキル、アルコキシ、グリコキシ、ポリアルキレングリコキシ（例えば、ポリエチレングリコキシ）、イミノ、ポリイミノ、分岐又は非分岐アルケニル、分岐又は非分岐アルキニル、アリール、ヘテロアリール、ヘテロシクリル、ニトロ、ニトリル、チイル又はカルボニル基であり、いずれもが置換又は非置換であり、任意の２つの隣接するＲ^１～Ｒ^４基は任意選択で一緒になって環式基を形成し得る）
の置換又は非置換キノンを含む。

一態様において、電気活性有機化合物は、キノンを含むことができ、ここでは、以下に示す方法で還元されて対応する芳香族種を形成し得る偶数個のカルボニル基を有する環式の共役系として定義する。

これらのキノンには、１，４－ベンゾキノン、１，２－ベンゾキノン、ナフトキノン、アントラキノン、フェナントレンキノン、ベンザントラキノン、ジベンゾアントラキノン、４，５，９，１０－ピレンテトロン、又はそれらの組み合わせの誘導体が含まれる。上記のいずれかは、任意選択で、上記のように置換され得る。一態様において、電気活性有機化合物は、置換又は非置換ナフトキノンである。前述の非限定的な例の電気活性有機化合物の他の位置異性体も、（例えば、キノンの異なる位置に置換基を用いて）使用され得る。

一態様において、電気活性種は、電気活性ポリマーを含む。本明細書で使用する場合、「ポリマー」という用語は、１０個を超える繰り返し単位を有する構造を指す。
例えば、電気活性ポリマーは、前述の電気活性有機化合物のいずれかを含む繰り返し単位を含み得る。好適な電気活性ポリマーとしては、例えば、置換又は非置換キノンから誘導された繰り返し単位を含むものを挙げることができる。一態様において、電気活性ポリマーの少なくとも一部は、電気活性有機化合物の少なくとも１つがポリマー主鎖に共有結合したポリマー主鎖を含む。一態様において、電気活性有機化合物は、ポリマー主鎖の少なくとも一部を形成し得る。

一態様において、電気活性ポリマーは、キノンから誘導された繰り返し単位を含んでおり、このキノンは、上述のように、１，４－ベンゾキノン、１，２－ベンゾキノン、ナフトキノン、アントラキノン、フェナンスレンキノン、ベンザントラキノン、ジベンゾアントラキノン、４，５，９，１０－ピレンテトロン、又はそれらの組み合わせを含み得る。

一態様において、電気活性ポリマーは、置換又は非置換ポリ（アントラキノン）を含み得る。一態様において、電気活性ポリマーは、置換又は非置換ポリ（ビニルアントラキノン）を含み得る。一態様において、電気活性ポリマーは、置換又は非置換ポリ（フェニルナフトキノン）を含み得る。

一態様において、電気活性種は、電気活性オリゴマーを含む。本明細書で使用する場合、「オリゴマー」という用語は、２～１０個の繰り返し単位を有する構造を指す。電気活性オリゴマーは、繰り返し単位が１０個以下に限定されることを除いて、電気活性ポリマーについて説明した任意の構造を適宜に有し得る。例えば、好適な電気活性オリゴマーは、置換又は非置換キノンから誘導された繰り返し単位を含むもの、好ましくは、１，４－ベンゾキノン、１，２－ベンゾキノン、ナフトキノン、アントラキノン、フェナントレンキノン、ベンザントラキノン、ジベンゾアントラキノン、４，５，９，１０－ピレンテトロン又はそれらの組み合わせから誘導された繰り返し単位を含むオリゴマーを含み得る。一態様において、電気活性オリゴマーは、オリゴ（アントラキノン）を含み得る。一態様において、電気活性オリゴマーは、オリゴ（ビニルアントラキノン）を含み得る。一態様において、電気活性オリゴマーは、置換又は非置換オリゴ（フェニルナフトキノン）を含み得る。

電気活性種が電気活性ポリマー又は電気活性オリゴマーを含む場合、電気活性ポリマー又は電気活性オリゴマーは、任意選択で架橋されてもよい。架橋は、当該技術分野で一般的に知られている様々な方法によって行うことができる。当業者は、本開示の利益を受けて、電気活性種の選択に基づいて、好適な架橋化学を決定することができるであろう。

カーボンナノチューブマットのカーボンナノチューブの表面上の電気活性種の厚さは、例えば、０．１～２０ナノメートル、又は０．２～１５ナノメートル、又は０．５～１０ナノメートルであり得る。カーボンナノチューブの表面上の電気活性種の厚さは、堆積の様式に依存し得る。

電気活性種は、複合体の総質量に対して、１０～９０質量％の量で存在し得る。この範囲内で、電気活性種は、複合体の総質量に対して、少なくとも２０質量％、又は少なくとも２５質量％、又は少なくとも３０質量％、又は少なくとも４０質量％、又は少なくとも５０質量％の量で存在し得る。また、この範囲内で、電気活性種は、最大８０質量％、又は最大７０質量％、又は最大６０質量％、又は最大５０質量％、又は最大４５質量％、又は最大４０質量％の量で存在し得る。例えば、電気活性種は、複合体の総質量に対して、１０～７５質量％、又は１０～６０質量％、又は１５～６０質量％、又は２０～５５質量％、又は２５～５５質量％、又は３０～５０質量％の量で存在し得る。

電気活性種とカーボンナノチューブマットは、１：１０～１０：１、又は１：５～５：１、又は１：１０～１：１の質量比で存在し得る。

電気活性種は、標的ガスに対して反応性である。標的ガスは、求電子性分子である。一態様において、標的ガスは、ルイス酸ガスである。標的ガスは、電気活性種が還元状態にあるときに、例えば、還元状態の電気活性種に結合することによって、複合体の電気活性種と錯体又は付加体を形成することが可能である。標的ガスは、二酸化炭素（ＣＯ_２）、酸化硫黄種、例えば二酸化硫黄（ＳＯ_２）又は三酸化硫黄（ＳＯ_３）、有機硫酸塩（Ｒ_２ＳＯ_４（式中、各Ｒは独立して水素、Ｃ_１～１２アルキル、又はＣ_６～２０アリールである））、例えばジメチル硫酸、二酸化窒素（ＮＯ_２）又は三酸化窒素（ＮＯ_３）等の酸化窒素種、リン酸エステル（Ｒ_３ＰＯ_４（式中、各Ｒは独立して水素、Ｃ_１～１２アルキル、又はＣ_６～２０アリールである）、例えばリン酸トリメチル、エステル（ＲＣＯＯＲ’（式中、各Ｒは独立して水素、Ｃ_１～１２アルキル又はＣ_６～２０アリールであり、各Ｒ’は独立してＣ_１～１２アルキル又はＣ_６～２０アリールである））、例えばギ酸メチルやアクリル酸メチル、アルデヒド（ＲＣＨＯ（式中、各Ｒは独立して水素、Ｃ_１～１２アルキル又はＣ_６～２０アリールである）、例えばホルムアルデヒドやアクロレイン、ケトン（Ｒ_２ＣＯ（式中、各Ｒは独立して水素、Ｃ_１～１２アルキル、又はＣ_６～２０アリールである））、例えばアセトン、イソシアネート（ＲＮＣＯ（式中、各Ｒは独立して水素、Ｃ_１～１２アルキル、又はＣ_６～２０アリールであり、各Ｒ’は独立してＣ_１～１２アルキル、又はＣ_６～２０アリールである）、例えばメチルイソシアネート、イソチオシアネート（ＲＮＣＳ（式中、各Ｒは独立して水素、Ｃ_１～１２アルキル、又はＣ_６～２０アリールであり、各Ｒ’は独立してＣ_１～１２アルキル又はＣ_６～２０アリールである）、ボラン（ＢＲ_３（式中、各Ｒは独立して水素、Ｃ_１～１２アルキル又はＣ_６～２０アリールである）、例えばトリメチルボラン、又はボレート（Ｒ_３ＢＯ_３（式中、各Ｒは独立して水素、Ｃ_１～１２アルキル又はＣ_６～２０アリールである）、例えばトリメチルボレートを含み得る。標的ガスは、任意選択で、前述の標的ガス種のいずれかの組み合わせを含み得る。

上述したように、カーボンナノチューブマットは、多孔質のカーボンナノチューブ不織マットである。複合体は、好ましくは、電気活性種の堆積後に、少なくともある程度の多孔率を保持する。例えば、複合体は、少なくとも２０％、又は２０～９５％、又は２０～７５％、又は３０～６０％の多孔率を有し得る。

複合体は、有利には、１００マイクロメートル未満の厚さを有し得る。例えば、複合体は、２～１００マイクロメートル、又は２～９５マイクロメートル、又は５～７５マイクロメートル、又は５～５０マイクロメートル、又は１０～４０マイクロメートルである厚さを有し得る。理論に拘束されることを望むものではないが、薄い複合体は、電極材料として使用される場合、同様の組成のより厚い電極、例えば１００マイクロメートルを超える厚さを有する電極に対して、標的ガス種のより高い捕捉率を可能にし得ると考えられる。厚さは、電極の主表面と直交する方向であってもよい。

カーボンナノチューブ不織マット及び電気活性種に加えて、複合体は、任意選択で、１つ以上の追加成分を更に含み得る。例えば、カーボンナノチューブ不織マットは、炭素繊維（例えば、電界紡糸炭素繊維、活性炭繊維、気相成長繊維等、又はそれらの組み合わせ）、グラフェン、還元型酸化グラフェン、カーボンブラック、ケッチェンブラック、又は構造化カーボンブラックを更に含み得る。複合体は、任意選択で、ポリマー結合剤を更に含んでもよい。好適なポリマー結合剤としては、熱可塑性エラストマー、例えば、スチレン－ブタジエン－スチレン（ＳＢＳ）ブロックコポリマー、スチレン－エチレン－ブタジエン－スチレン（ＳＥＢＳ）ブロックコポリマー、スチレン－（スチレンブタジエン）－スチレンブロックコポリマー、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、天然ゴム（ＮＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、エチレン－プロピレン－ジエンモノマー（ＥＰＤＭ）が挙げられる。結合剤の例としては、更に、ポリスチレン、ポリオレフィン、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリシクロオレフィン、又はシリコーンが挙げられる。一態様において、結合剤は、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、デンプン、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スルホン化ＥＰＤＭを含んでもよい。上記の少なくとも１つを含む組み合わせ、例えばコポリマーが、言及される。存在する場合、１つ以上の追加成分は、複合体の総体積に対して、１～２０体積％の量で不織マットに含まれ得る。

複合体の製造方法は、本開示の別の態様を表す。一態様において、方法は、カーボンナノチューブ不織マットを、溶液、溶融物、又は気相を含む任意の好適な形態であり得る電気活性種と接触させる工程を含む。接触させる工程は、例えば、浸漬コーティング、ドロップキャスティング、スピンコーティング、スプレーコーティング、又はドクターブレード法、又はそれらの組み合わせを含み得る。一態様において、方法は、所望の複合体の厚さ、多孔率、又は組成が達成されるまで、接触させる工程を繰り返す工程を含み得る。一態様において、接触させる工程は、電気活性種を含む気相をカーボンナノチューブ不織マットに接触させることによって行うことができる。電気活性種が電気活性ポリマー、オリゴマー、又は上記のいずれかを含む組み合わせを含む場合、方法は、任意選択で、カーボンナノチューブマットの表面上で電気活性ポリマー又はオリゴマーを架橋する工程を更に含んでもよい。

一態様において、方法は、ナノチューブ不織マットを、複数の電気活性モノマー（例えば、上述した、重合性基、例えば、ビニル基、スチレン基、（メタ）アクリレート基、又はそれらの組み合わせを含む電気活性有機化合物）を含む溶液に接触させる工程を含み得る。溶液は、電気活性モノマーの重合を開始することが可能な少なくとも１つの開始剤（例えば、ラジカル開始剤）、及び、任意選択で、架橋剤を更に含む。この方法は、不織マットの存在下で電気活性モノマーの重合又は架橋を開始して、ｉｎ ｓｉｔｕ重合技術によって複合体を提供する工程を更に含む。

一態様において、複数の電気活性モノマー（例えば、上述した、重合性基、例えば、ビニル基、スチレン基、（メタ）アクリレート基、又はそれらの組み合わせを含む電気活性有機化合物）を含む溶液をカーボンナノチューブマットに適用し、電気化学又は化学重合によってモノマーをカーボンナノチューブの表面にグラフト化することができる。活性化気相成長法（例えば、開始化学気相成長法、ｉＣＶＤ）を使用して、電気活性ポリマー又はオリゴマーがカーボンナノチューブマットにグラフト化された複合体を提供することも可能である。

一態様において、２つ以上の電気活性モノマー及び少なくとも１つの開始剤をマットに適用して不溶性ネットワークを形成し得る反応性沈殿技術を使用して、電気活性ポリマーをカーボンナノチューブマット上に配置することが可能である。

一態様において、複合体は、カーボンナノチューブ及び電気活性種を含む分散液から調製され得る。カーボンナノチューブ及び電気活性種は、上述したものであり得る。例えば、カーボンナノチューブ、電気活性種、及び任意選択で任意の添加剤（例えば、界面活性剤、結合剤等、又はそれらの組み合わせ）を溶媒中で混ぜ合わせて、分散液を得ることができる。分散液は、超音波処理、ボールミリング等、又はそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない様々な技術を使用して形成され得る。好適な溶媒は、例えば、テトラヒドロフラン、Ｎ－メチルピロリドン、メチルエチルケトン、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、トルエン、２－ブタノン、水、メタノール、エタノール、２－プロパノール等、又はそれらの組み合わせを含み得る。一態様において、カーボンナノチューブは、分散液の総質量に対して、０．０５～１０質量％、又は０．０５～７．５質量％の量で分散液中に存在し得る。一態様において、電気活性種は、分散液の総質量に対して、０．０５～５質量％の量で分散液中に存在し得る。分散液は、カーボンナノチューブマットを得るために基材上に適用され得る。基材への分散液の適用は、例えば、ドロップキャスト、浸漬コーティング、ブレードコーティング、スプレーコーティング、均一コーティング、スロットダイコーティング、グラビアコーティング、インクジェット印刷、３Ｄ印刷、押出し、複数の相の共押出し、又はそれらの任意の組み合わせによることができる。

本明細書に記載の複合体の製造のための様々な方法は、以下の実施例において更に説明される。

複合体を含む電極アセンブリは、本開示の別の態様を表す。一態様において、電極アセンブリは、複合体と多孔質セパレータとを含む。複合体は、多孔質セパレータ上に配置することができ、任意選択で、複合体と多孔質セパレータとの間に配置された１つ以上の介在層を有する。一態様において、複合体は多孔質セパレータに積層され得る。多孔質セパレータは、任意の好適な材料を含み得る。一態様において、多孔質セパレータは、ポリマーフィルム、例えば、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリアラミド、ポリエステル、ポリウレタン、アクリル樹脂等、又はそれらの組み合わせを含むフィルムを含む。ポリマーは、片面又は両面をセラミックナノ粒子で被覆されていてもよい。一態様において、多孔質セパレータは、セルロース、合成ポリマー材料、又はポリマー／セラミック複合材料を含み得る。セパレータのさらなる例としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）セパレータ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ＰＶＤＦ－アルミナ複合体セパレータ等を挙げることができる。

複合体を含む電気化学セルは、本開示の別の態様を表す。電気化学セルは、上述の複合体を含む第１の電極と、相補的電気活性複合体層を含む第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間の第１のセパレータとを含む。

セパレータは、電極アセンブリについて上述したものであり得る。セパレータは、各電極におけるそれぞれの電気化学反応が互いに干渉するのを防止し得る保護層として機能し得る。セパレータはまた、第１及び第２の電極を互いに又は電気化学セル内の他の成分から電子的に分離して、短絡を防止することにも役立ち得る。本開示の利益を受ける当業者は、好適なセパレータを選択できるであろう。

電気化学セルは、電解質を更に含み得る。電解質は、室温（例えば、２３℃）で好適な伝導率を有し得る。一態様において、セパレータは、電解質で部分的又は完全に含浸され得る。セパレータを電解液で含浸させる工程は、液中に入れること、被覆、浸漬、又はその他の方法でセパレータを電解質に接触させることによって行うことができる。多孔質セパレータの細孔の一部又は全部は、電解質で部分的に又は完全に充填され得る。一態様において、セパレータは電解質で飽和させることができる。

一態様において、電解質は、イオン性液体、例えば室温イオン性液体（ＲＴＩＬ）を含む。イオン性液体は、低揮発性、例えば２３℃の温度で１０^－５Ｐａ未満、又は１０^－１０～１０^－５Ｐａの蒸気圧を有することができ、この蒸気圧は、セパレータが乾燥するリスクを低減させ、エントレインメントの蒸発による電解質の損失を低減させ得る。一態様において、イオン性液体は、電解質の実質的に全体（例えば、少なくとも８０体積％、又は少なくとも９０体積％、又は少なくとも９５体積％、又は少なくとも９８体積％、少なくとも９９体積％、又は少なくとも９９．９体積％）を占める。

イオン性液体は、アニオン成分とカチオン成分とを含む。イオン性液体のアニオンは、ハロゲン化物、硫酸塩、スルホン酸塩、炭酸塩、重炭酸塩、リン酸塩、硝酸塩、酢酸塩、ＰＦ_６、ＢＦ_４、トリフラート、ノナフラート、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）アミド、トリフルオロアセテート、ヘプタフルオロブタノエート（ｈｅｐｔａｆｌｕｒｏｒｏｂｕｔａｎｏａｔｅ）、ハロアルミネート、トリアゾリド、又はアミノ酸誘導体（例えば、窒素上のプロトンが除去されたプロリン）を含み得るがこれらに限定されない。イオン性液体のカチオンは、イミダゾリウム、ピリジニウム、ピロリジニウム、ホスホニウム、アンモニウム、スルホニウム、チアゾリウム、ピラゾリウム、ピペリジニウム、トリアゾリウム、ピラゾリウム、オキサゾリウム、グアナジニウム、アルカリカチオン、又はジアルキルモルホリニウムのうちの１つ以上を含み得るがこれらに限定されない。一態様において、室温イオン性液体は、カチオン成分としてイミダゾリウムを含む。一態様において、室温イオン性液体は、カチオン成分として１－ブチル－３－メチルイミダゾリウム（「Ｂｍｉｍ」）を含む。一態様において、室温イオン性液体は、アニオン成分としてビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（「ＴＦＳＩ」）を含む。一態様において、室温イオン性液体は、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（「［Ｂｍｉｍ］［ＴＦＳＩ］」）を含む。一態様において、室温イオン性液体は、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（「ＢＦ_４」）（「［Ｂｍｉｍ］［ＢＦ_４］」）を含む。

電気化学セルの第２の電極は、相補的電気活性複合体層を含む。相補的電気活性複合体層は、本開示の複合体と同じであっても異なっていてもよい。相補的電気活性複合体層は、第１の電極の複合体の電気活性種と同じであっても異なっていてもよい第２の電気活性種を含む。

一態様において、相補的電気活性複合体層は、第１の電極の複合体と同じ電気活性種を含む。一態様において、相補的電気活性複合体層は、第１の電極の複合体の第１の電気活性種とは異なる第２の電気活性種を含む。一態様において、相補的電気活性複合体層の第２の電気活性種は、電気活性有機分子、電気活性ポリマー、電気活性オリゴマー、電気活性無機複合体、電気活性メタロセン、又はそれらの組み合わせであり得る。電気活性有機分子、電気活性ポリマー、及び電気活性オリゴマーは、前述したものであり得る。

一態様において、第２の電気活性種は、電気活性無機複合体、例えば、式
ＡＭ^１Ｘ
（式中、ＡはＬｉ、Ｎａ、又はＫであり；Ｍ^１はＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｖ、Ｓｉ、又はそれらの組み合わせであり；ＸはＯ_２又はＰＯ_４である）のアルカリ金属－遷移金属酸化物又はアルカリ金属－遷移金属リン酸塩であり得る。一態様において、第２の電気活性種は、ＬｉＦｅＰＯ_４であり得る。

一態様において、相補的電気活性複合体層の第２の電気活性種は、メタロセンを含む。好適なメタロセンの例としては、フェロセン、又はフェロセンから誘導された繰り返し単位を含むポリマー（例えば、ポリビニルフェロセン）、又はその誘導体を挙げることができるが、これらに限定されない。

電気化学セルの動作中、相補的電気活性複合体層の第２の電気活性種は、第１の電極の第１の電気活性種を還元するための電子の供給源として機能し得る。同様に、相補的電気活性複合体層の第２の電気活性種は、第１の電極の第１の電気活性種の酸化中、電子の吸込み口（ｓｉｎｋ）として機能し得る。

一態様において、第２の電極は、基材を更に含み得、この基材は、相補的電気活性複合体層に近接して又はその間に配置され得る。基材は、相補的電気活性複合体層に直接又は間接的に接触し得る。存在する場合、基材は、例えば、カーボンペーパー（処理済み、テフロン（登録商標）処理済み、又は未処理）、カーボンクロス、カーボン不織マット、又はカーボンナノチューブ不織マットを含み得る。一態様において、支持体は、第１の電極の複合体の同じカーボンナノチューブ不織マットを含み得る。一態様において、第２の電極の基材は、伝導性材料であり、電気化学セル内の集電体として機能し得る。

一態様において、第１の電極は負電極であり得、第２の電極は正電極であり得る。負電極及び正電極という用語は、標的ガスを取得又は放出する場合にのみ技術的に正確である場合があるが、便宜上及び明確化のために使用される。

一態様において、第２の電極は、第１の電極の間に配置され得る。第１の電極の各々は、開示された複合体を含み得る。一態様において、第１の電極及び／又は第２の電極は、構成又は組成が同一であり得る。

一態様において、電気化学セルは、第１の電極と第２の電極との間、例えば、負電極と正電極との間に配置された、単一のセパレータを含む。電気化学セルは、並列構成及び直列構成の任意の好適な組み合わせでスタックを作るために組み合わせることができる。一態様において、電気化学セルは、２つ以上のセパレータを含み得る。例えば、当業者であれば、直列及び並列構成の選択された組み合わせに応じて、単一のセパレータが使用されてもよく、又は複数のセパレータが好ましい場合があることを理解するであろう。

電気化学セルは、任意選択で、ガス透過性層を更に含み得る。ガス透過性層は、セパレータと反対側で、第１の電極に隣接して配置され得る。ガス透過性層は、伝導性固体材料を含み、セル内の集電体として機能し得る。ガス透過性層は、多孔質材料を含み得る。一態様において、ガス透過性層は、例えば、６０％以上、７０％以上、７５％以上、８０％以上、又はそれ以上の多孔率を有する。一態様において、ガス透過性層は、８５％以下、９０％以下、又はそれより大きい値以下の多孔率を有する。これらの範囲の組み合わせが可能である。例えば、一態様において、第１の電極のガス透過性層は、６０％以上、かつ９０％以下の多孔率を有する。他の多孔率もまた可能である。ガス透過性層に好適な材料の例としては、カーボンペーパー（処理済み、テフロン（登録商標）処理済み、又は未処理）、カーボンクロス、及びカーボン不織マットが挙げられるがこれらに限定されない。

電気化学セルは、任意選択で、ガス流場を更に含み得る。ガス流場は、存在する場合、第１の電極と反対側で、ガス透過性層に隣接して配置され得る。ガス透過性層が電気化学セル内に存在しない場合、ガス流場は、セパレータの反対側で、第１の電極に隣接して配置され得る。

本開示の一態様による電気化学セルを図１Ａに示す。図１Ａは、電気活性種が還元状態にあるときに標的ガスと結合できる電気活性種を含む第１の電極１１０と、セパレータ１８０と、第２の電極１７０と、任意選択のガス拡散層１１５と、ガス流場１６０とを含む電気化学セル１００を示す。第１の電極１１０は、導電性足場１２０と、電気活性種１３０と、足場及び電気活性種の周囲の空間における、例えばその空間を充填する、電解質とを含む。図１Ｃは、例えば、２０１９年１０月２１日に出願された米国特許出願第１６／６５９，３９８号に記載された電極組成物を示す。図１Ｃの電極組成物において、導電性足場１２０は、炭素繊維１２２の紙を含み、その上に、電気活性種１３０で被覆されたカーボンナノチューブ１２４が堆積されている。図は縮尺通りではなく、市販の炭素繊維の直径は、カーボンナノチューブの直径より３桁大きい。図１Ｃは、炭素繊維がかなりの体積を占めていることを示す。市販の炭素繊維紙及びフェルトでは、構造的完全性を得るために、少なくとも１５％の炭素繊維の体積分率が使用されている。図１Ｂは、本開示による複合体を含む電極を示し、この電極において、伝導性足場１２０は、複数の絡み合ったカーボンナノチューブ１２４を含むカーボンナノチューブ不織マットである。電気活性種１３０は、ナノチューブの表面上に被覆されている。有利には、カーボンナノチューブ不織マットは、（１）電解質が充填され得る細孔空間を維持する構造的役割を果たし、（２）吸着剤を堆積させる高い表面積を提供し、（３）電子がガス拡散層１１５から電気活性種１３０へ移動するためのパーコレーション経路を提供するという電気的役割を果たす。

電気化学セルは、ガス混合物が電気化学セルに接触したときに、ガス混合物から標的ガスを分離するために特に有用であり得、したがって、ガス分離システムにおける使用に特によく適している。このようなガス分離システムは、ガス入口及びガス出口と流体連通している複数の電気化学セルを含む。

入力ガスとも呼ばれるガス混合物は、電気化学セルへの曝露時に少なくとも部分的に分離され得る。ガス混合物は、例えば、周囲空気（例えば、外気等の周囲環境からの空気）であり得る。一態様において、ガス分離システムは、直接的な空気捕捉のために使用され得る。本明細書に記載のシステム及び方法は、事前濃縮工程を必要とせずに、（例えば、温室効果ガスレベルを低減するために）二酸化炭素等の標的ガスを周囲空気から直接除去するのに有用であり得る。本開示の特定の態様は、本明細書に記載のシステム及び方法を、直接的な空気捕捉（例えば、酸素等の周囲空気の主要成分と反応することが熱力学的に避けられる一方で、標的ガスと結合する能力）にとって特に有用にすることができる。

一態様において、ガス混合物中の標的ガスの濃度は、例えばガス混合物が周囲空気である場合、比較的低い。例えば、電気化学セルへの曝露前のガス混合物中の標的ガスの濃度は、５００ｐｐｍ以下、又は４５０ｐｐｍ以下、又は４００ｐｐｍ以下、又は３５０ｐｐｍ以下、又は３００ｐｐｍ以下、又は２００ｐｐｍ以下であり得る。一態様において、ガス混合物中の標的ガスの濃度は、１００ｐｐｍ、又は５０ｐｐｍ、又は１０ｐｐｍという低い値であり得る。

一態様において、ガス混合物（例えば、入力ガス混合物）は、換気空気である。換気空気は、囲い込まれた又は少なくとも部分的に囲い込まれた場所における空気（例えば、囲い込まれた場所において循環されている空気）であり得る。ガス混合物（例えば、換気空気）が配置され得る場所の例としては、密閉された建物、部分的に換気された場所、自動車車室、有人潜水艇、航空機等が挙げられるが、これらに限定されない。

換気空気中の標的ガスの濃度は、周囲空気よりも高いが、工業プロセスに典型的な濃度より低い場合がある。一態様において、電気化学セルへの曝露前のガス混合物中の標的ガスの濃度は、５，０００ｐｐｍ以下、又は４，０００ｐｐｍ以下、又は２，０００ｐｐｍ以下、又は１，０００ｐｐｍ以下である。一態様において、ガス混合物中の標的ガスの濃度は（例えば、囲い込まれた空間の換気空気／空気である場合）、１，０００ｐｐｍ、又は８００ｐｐｍ、又は５００ｐｐｍ、又は２００ｐｐｍ、又は１００ｐｐｍ、又は１０ｐｐｍという低い値である。

一態様において、ガス混合物は、酸素ガス（Ｏ_２）を含む。一態様において、ガス混合物は、（例えば、電気化学セルへの曝露前に）比較的高濃度の酸素ガスを有する。本明細書に記載のシステム及び方法の特定の態様（例えば、特定の電気活性種の選択、システム内のガスの取り扱い方法等）は、酸素ガスが存在するガス混合物中の標的ガスを有害な干渉なしに捕捉する能力に寄与し得る。一態様において、酸素ガスは、（例えば、電気化学セルへの曝露前に）ガス混合物中に、０体積％以上、又は０．１体積％以上、又は１体積％以上、又は２体積％以上、又は５体積％以上、又は１０体積％以上、又は２０体積％以上、又は５０体積％以上、又は７５体積％以上、又は９０体積％以上、９５体積％以上の濃度で存在する。一態様において、酸素ガスは、ガス混合物中に、９９体積％以下、又は９５体積％以下、又は９０体積％以下、又は７５体積％以下、又は５０体積％以下、又は２５体積％以下、又は２１体積％以下、又は１０体積％以下、又は５体積％以下、又は２体積％以下の濃度で存在する。

一態様において、ガス混合物は水蒸気を含む。ガス混合物は、例えば、周囲空気又は換気空気であるか、又はそれらを含むため、水蒸気を含み得る。一態様において、ガス混合物は（例えば、電気化学セルへの曝露前に）、比較的高い相対湿度を有する。例えば、一態様において、ガス混合物は、－５０～１４０℃の範囲の少なくとも１つの温度で、０％以上、又は５％以上、又は１０％以上、又は２５％以上、又は５０％以上、又は７５％以上、又は９０％以上の相対湿度を有し得る。一態様において、ガス混合物は、－５０～１４０℃の範囲の少なくとも１つの温度で、１００％以下、又は９５％以下、又は９０％以下、又は７５％以下、又は５０％以下、又は２５％以下、又は１０％以下の相対湿度を有し得る。

標的ガスは、ガス分離システムの電気化学セル間に電位差を印加することによって、ガス分離システム内のガス混合物から分離され得る。本開示の利益を受ける当業者であれば、電気化学セルにわたって電位を印加する方法を理解するであろう。例えば、電位は、負電極と正電極を分極させることができる好適な電源に負電極及び正電極を接続することによって印加され得る。一態様において、電源は直流電圧であり得る。好適な電源の非限定例としては、電池、電力網、回生電源（例えば、風力発電機、光電池、潮力発電機）、発電機等、及びそれらの組み合わせが挙げられる。

電位差は、ガス混合物が電気化学セルに曝露される時間の少なくとも一部の間、電気化学セルに印加され得る。一態様において、電位差は、ガス混合物を電気化学セルに曝露する前に印加され得る。

充電モード中に電気化学セルに正電圧を印加すると、負電極で酸化還元反応が起こり、電気活性種が還元される。本明細書で論じられるように、電気活性種は、それが酸化状態にあるときと比較して、還元状態にあるときに標的ガスに対してより高い親和性を有するように選択される。電気活性種を還元し、ガス混合物を第１の電極を横切って通過させることにより、標的ガスは電気活性種に結合することができる。このようにして、標的ガスがガス混合物から除去されて、（例えば、最初のガス混合物に対してより少ない量の標的ガスを含む）処理済みのガス混合物を得ることができる。

充電モード中に、電気化学セルに対して印加される電位差は、特定の電圧を有し得る。電気化学セルにわたって印加される電位差は、例えば、第１の電気活性種の少なくとも１つの還元状態の生成のための還元電位、並びに第２の電極における電気活性種の還元状態と酸化状態との間の相互変換のための標準電位に依存し得る。電圧は、スタック電気化学抵抗によって乗算される電流を更に含む。一態様において、電位差は、少なくとも０Ｖ、又は少なくとも０．１Ｖ、又は少なくとも０．２Ｖ、又は少なくとも０．５Ｖ、又は少なくとも０．８Ｖ、又は少なくとも１．０Ｖ、又は少なくとも１．５Ｖである。一態様において、電位差は、２．０Ｖ以下、又は１．５Ｖ以下、又は０．５Ｖ以下、又は０．２Ｖ以下である。

一態様において、第１の電極の電気活性種がキノンを含む場合、電気活性種は、その還元状態の少なくとも１つに還元され得る：

一態様において、第１の電極の電気活性種がキノンを含み、電気活性種が標的ガス、例えば二酸化炭素の存在下で還元されるとき、電気活性種の還元型は二酸化炭素と結合できる：

一態様において、電気活性種が第１の電極において還元されている間、第２の電気活性種（例えば、ポリビニルフェロセン等の酸化還元活性ポリマー）が第２の電極において酸化されている。充電モードの間、第２の電気活性種の酸化は、第１の電気活性種の還元を駆動するための電子の供給源をもたらす。

上記に示された例示的な反応は、一方向に起こるように示されているが、いくつかの可逆性が示され得ることが理解されるであろう。当業者に理解されるように、類似の反応は、異なる電気活性種で起こり得る。

一態様において、本明細書に記載のプロセスの間に、比較的多量の標的ガスがガス混合物から除去される。比較的多量の標的ガスを除去することは、場合によっては、環境上の理由から大気中に放出されると有害となり得るガスを捕捉する等、様々な用途のいずれに対しても有益であり得る。例えば、標的ガスは、二酸化炭素を含むことができ、ガス混合物から比較的多量の二酸化炭素を除去することは、プロセス（例えば、工業プロセス又は輸送プロセス）の温室効果ガスの影響を制限したり、又は（加熱及び空調プロセスに関する熱力学的理由又は環境的理由のいずれかにより）室内又は大気中の二酸化炭素の量を低減したりするためにも有益であり得る。

一態様において、処理済みのガス混合物中の標的ガスの量（例えば、電気化学セルに曝露されたときに特定量の標的ガスが除去されたガス混合物）は、処理前の元のガス混合物中の標的ガスの量（体積％）（例えば、電気化学セルに曝露される前のガス混合物中の標的の量）の５０％以下、２５％以下、１０％以下、５％以下、２％以下、１％以下、０．５％以下、０．１％以下である。一態様において、処理済みガス混合物中の標的ガスの量は、処理前の元のガス混合物中の標的ガスの量（体積％）の０．００１％以上、０．００５％以上、０．０１％以上、０．０５％以上、０．１％以上、０．５％以上、１％以上、２％以上、５％以上である。

一態様において、標的ガスの少なくとも一部が電気活性種に結合した後、電気化学セルにわたって第２の電位差が印加され得る。第２の電位差は、その第１の電位差と異なっていてもよい。一態様において、第２の電位差を印加することにより、電気活性種と結合した標的ガスの一部又は全部を放出して、第２の処理済みガス混合物を生成する工程がもたらされる。第２の処理済みガス混合物は、入力ガス混合物よりも高い量の標的ガスを有し得る。例えば、標的ガスは、その体積％が、ガス混合物の第１の量よりも１０％高い、２０％高い、５０％、１００％高い、２００％高い、１０００％高い、及び／又は最大２，０００％高い、５，０００％高い、１０，０００％高い、又はそれ以上である量で、第２の処理済みガス混合物中に存在し得る。

ガス分離システムは、各電気化学セルの負電極及び正電極を、各電気化学セルの負電極及び正電極にわたって電位差を印加するように構成された電源に接続する外部回路を含み得る。ガス分離システムの電気化学セルの各々は、上記のとおりであり得る。ガス分離システムの電気化学セルは、並列又は直列を含む、当技術分野で一般に知られている様々な構成にしたがって積層され得る。

一態様において、ガス分離システムは、電気化学セルの第１のセットと電気化学セルの第２のセットとを含む。第１のセット及び第２のセットの各々は、本開示全体を通して説明される１つ以上の電気化学セルを含む。第１のセット及び第２のセットは、セルの一方のセットが充電モードで動作し、ガス混合物から標的ガス（例えば、ＣＯ_２）を捕捉する一方で、セルの他方のセットが放電モードで動作して標的ガス（例えば、ＣＯ_２）を放出するように、交互に並行して動作するように構成され得る。システムは、電気化学セルのセットの各々のための別々のハウジングを含み得る。システムは、所望の様式で流れを導くように配置された導管及び弁を更に含み得る。ガス分離システムは、ガス混合物（例えば、ガス流）のほぼ連続的な分離を可能にし得、ガス混合物は、所定の時点で、充電／捕捉モードで動作するセルのセットに向けられる一方、別の標的ガスに富む処理済み混合物は、放電／放出モードで動作するセルの他のセットにより生成される。更に、電気化学セルの追加のセットは、用途の必要性に応じて、並列又は直列に追加され得る。

混合ガス（例えば、入力ガス流等のガス流）は、特定の流量でガス分離システムに導入され得る。一態様において、流量は、０．００１Ｌ／秒以上、０．００５Ｌ／秒以上、０．０１Ｌ／秒以上、０．０５Ｌ／秒以上、０．１Ｌ／秒以上、０．５Ｌ／秒以上、１Ｌ／秒以上、５Ｌ／秒以上、１０Ｌ／秒以上、１０ ５０Ｌ／秒以上、又は１００Ｌ／秒以上であり得る。一態様において、混合ガス（例えば、入力ガス流等のガス流）の流量は、５００Ｌ／秒以下、４００Ｌ／秒以下、３００Ｌ／秒以下、２００Ｌ／秒以下、１００Ｌ／秒以下、５０Ｌ／秒以下、１０Ｌ／秒以下、１Ｌ／秒以下、０．５Ｌ／秒以下、又は０．１ １５Ｌ／秒以下であり得る。

一態様において、標的ガスを放出する工程の間又は後に、方法は、電気化学セルに真空条件を適用して、放出された標的ガスの少なくとも一部又は全部を電気化学セルから除去することを更に含む。本開示の利益を受ける当業者であれば、電気化学セルに真空条件を適用するための好適な技術及び装置を理解するであろう。例えば、真空ポンプは、電気化学セルのガス出口に流体接続され得る。真空ポンプは、電気化学セルベッドと下流位置との間に負の圧力差を生じさせるように動作することができる。この真空状態は、上述の放出工程中に放出された標的ガスを電気化学セルから流出させるのに十分な力をもたらし得る。真空条件は、標的ガスの放出中又は放出後の電気化学セル内の圧力が、７６０ｔｏｒｒ以下、７００ｔｏｒｒ以下、５００ｔｏｒｒ以下、１００ｔｏｒｒ以下、５０ｔｏｒｒ以下、１０ｔｏｒｒ以下、及び／又は５ｔｏｒｒ、１ｔｏｒｒ、０．５ｔｏｒｒ、０．１ｔｏｒｒという低い値となるように適用できる。

一態様において、第１の電極の複合体は、標的ガス（例えば、ＣＯ_２）を吸収するための特定の容量を有する。例えば、複合体は、少なくとも０．０１ｍｏｌ／ｍ^２、少なくとも０．０２ｍｏｌ／ｍ^２、少なくとも０．０５ｍｏｌ／ｍ^２、又はそれ以上の吸収容量を有し得る。一態様において、複合体は、０．２ｍｏｌ／ｍ^２以下、０．０８ｍｏｌ／ｍ^２以下、０．０５ｍｏｌ／ｍ^２以下、０．０３ｍｏｌ／ｍ^２以下、又はそれ以下の吸収容量を有し得る。例えば、複合体は、少なくとも０．０１ｍｏｌ／ｍ^２かつ０．２ｍｏｌ／ｍ^２以下、又は少なくとも０．０２ｍｏｌ／ｍ^２かつ０．０８ｍｏｌ／ｍ^２以下の吸収容量を有し得る。

一態様において、第１の電極の複合体は、例えば、５ｃｍ^２以上、８ｃｍ^２以上、１０ｃｍ^２以上、又は最大１０ｃｍ^２、最大２０ｃｍ^２又はそれ以上の、ガス混合物に曝露される特定の表面積を有し得る。

システムの種々の構成要素、例えば、電極（例えば、負電極、正電極）、電源、電解質、セパレータ、容器、回路部品、絶縁材料等は、当業者によって種々の構成要素のいずれかから作製され得る。構成要素は、環境にやさしい（ｇｒｅｅｎ）状態若しくは焼き付け（ｆｉｒｅｄ）状態で、成形、機械加工、押出し、プレス、アイソプレス、印刷、浸透、被覆を施すか、又は他の任意の好適な技術によって形成し得る。

本明細書に記載される電極（例えば、負電極、正電極）は、任意の好適なサイズ又は形状を有し得る。形状の非限定的な例としては、シート、立方体、円筒、中空管、球体等が挙げられる。電極は、それらが使用される用途（例えば、換気空気からのガスの分離、直接空気捕捉等）に応じて、任意の好適なサイズであり得る。更に、電極は、電極を別の電極、電源、及び／又は別の電気デバイスに接続する手段を含み得る。当業者は、本明細書のシステムの構成要素を形成するための技術を容易に理解することができる。

システムの様々な電気部品は、接続のための手段によって、少なくとも１つの他の電気部品と電気的に接続していてもよい。接続のための手段は、第１の構成要素と第２の構成要素との間に電気の流れが発生することを可能にする任意の材料であってよい。２つの電気部品を接続するための手段の非限定的な例は、伝導性材料（例えば、銅、銀等）を含むワイヤである。一態様において、システムは、２つ以上の構成要素（例えば、ワイヤと電極）の間の電気コネクタを含み得る。一態様において、ワイヤ、電気コネクタ、又は接続のための他の手段は、材料の抵抗が低くなるように選択され得る。一態様において、抵抗は、電極、電解質、又はシステムの他の構成要素の抵抗よりも実質的に小さくてもよい。

本開示の電気化学セル及びガス分離システムは、更に、全ての目的のために参照によりその全体内容が組み込まれる米国特許出願第１６／６５９，３９８号に記載されたものであり得る。

本明細書に記載された電気化学セル、システム、及び方法は、様々な用途で実施され得る。電気化学セル又はセルのセットの数は、必要に応じて、特定の用途の要件に合わせて規模を調整することができる。以下の態様は、用途のいくつかの非限定的な例を示す。一態様において、本明細書に記載されるシステム及び方法は、周囲空気から、並びに取り囲まれた空間、例えば、気密建造物、自動車車室（換気のための流入空気の加熱コストを低減するため）、並びにＣＯ_２レベルの増加が致命的となり得る潜水艦及び宇宙カプセルから、標的ガス（例えば、ＣＯ_２）を除去することを目的とする。電力業界に向けた態様では、システム及び方法は、様々な濃度で燃焼後の二酸化炭素を捕捉するために使用され得る。一態様では、システム及び方法は、工業用煙道ガス又は工業プロセスガスから標的ガスを分離するのに適している。システム及び方法はまた、煙道ガスから二酸化硫黄や他のガスを捕捉するためにも使用され得る。石油及びガス産業に向けた態様では、開示されたシステム及び方法は、様々なプロセスから二酸化炭素及び他のガスを捕捉し、下流の圧縮又は処理のためにそれらのガスを転換するために使用され得る。開示されたシステム及び方法は、温暖及び寒冷な気候の温室を暖めるために使用される天然ガスの燃焼からの二酸化炭素を捕捉し、その後、植物が光合成で使用するために、すなわち、植物に栄養を与えるために、捕捉した二酸化炭素を温室内に転換するために適用され得る。

本開示は、非限定的である以下の実施例によって更に例示される。

（実施例１）
ポリ（フェニルナプトキノン）（ＰＰＮＱ）を、１ミリグラム／ミリメートル（キシレンの場合）又は１０ミリグラム／ミリリットル（ＴＨＦ又はＮＭＰの場合）の濃度でテトラヒドロフラン、Ｎ－メチル－２－ピロリドン又はキシレン中に溶解した。Ｎａｎｏｃｏｍｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から市販されているＭｉｒａｌｏｎ（商標）として入手したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）マットを、密閉バイアル内のＰＰＮＱの溶液に沈め、室温で１～７２時間静置した。次に、マット試料をバイアルから取り出し、浸漬プロセスに使用したのと同じ溶媒を使用してすすぎ、次に、減圧下で６０～８０℃の温度で少なくとも１２時間乾燥させた。ポリマー溶液に浸した後のＣＮＴマット片の質量を、露出ＣＮＴマットの初期質量と比較した。各溶液について、ＰＰＮＱの量は、約０．１ｍｇ／ｃｍ^２、例えばＣＮＴマット１平方インチあたりポリマー０．１～０．５ミリグラムであった。加速電圧１０ｋＶにおいてＪｅｏｌ社製ＪＳＭ ７４０１Ｆ走査型電子顕微鏡で走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）を用いて、ＰＰＮＱ被覆マットを画像化した。図９は、１０Ｋの倍率での被覆マットのＳＥＭ顕微鏡写真であり、図１０は、２５Ｋの倍率での被覆マットのＳＥＭ顕微鏡写真である。

次に、ＰＰＮＱ－ＣＮＴマット複合電極を１．９８ｃｍ^２の円盤に切り出し、ポリ（ビニルフェロセン）対極、Ｃｅｌｇａｒｄ ３４０１セパレータ、並びに電極及びセパレータの細孔を充填するＢｍｉｍ－ＴＦＳＩ電解質を含むセルに組み込んだ。サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）、クロノアンペロメトリー、及びＣＯ_２雰囲気による密閉セルとＮ_２＋Ｏ_２＋ＣＯ_２雰囲気下のフローセル形状の両方での繰り返し充放電サイクルを用いて、性能を特性決定した。

図２は、密閉セルの充放電中の電圧及び電流対時間を示す。図３は、ヘッドスペースの圧力変化を示し、電極に渡された容量（Ａｈ）を追跡する。セルの充電中にＣＯ_２が吸着されると圧力が低下し、減圧下でＣＯ_２が放出され密閉セルのヘッドスペースに戻されると圧力が上昇する。サイクリックボルタンメトリーデータは、電極の電気化学的特性を示し、埋め込まれた酸化還元部分の予想還元電位を確認し、電流密度により効率的なポリマー充填を実証し、複合体のＣＯ_２反応性を示す。ＰＰＮＱ複合電極のサイクリックボルタンメトリーは、ポリマーキノン種の特徴的な電気化学的挙動を示し、ＣＯ_２に対する反応性を示す。

（実施例２）
アントラキノン－１－ジアゾニウムテトラフルオロボレート（５ｍＭ）及びテトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェート（１００ｍＭ）の溶液をアセトニトリル中で調製した。１ｘ２ｃｍのＣＮＴマットをこの溶液に１時間浸し、次に、走査速度５０ｍＶ／秒で、Ａｇ／Ａｇ^＋に対して１．１Ｖと－０．２Ｖとの間で３０サイクル循環させた。サイクルは、白金線の対極とＣｏｒａｌＰｏｒフリットを取り付けたジャケット付き銀線参照電極とを含有する３電極電気化学セルにおいて行った。３０サイクルのグラフト化手順にわたり電荷が減少したが、このことはＣＮＴマットの反応性部位が消費されたことと整合する。得られた電極を、サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）、クロノアンペロメトリー、及びＣＯ_２雰囲気下の密閉セル内での繰り返し充放電サイクルで特性決定した。結果は図４～図６に示す通りである。

図４は、アントラキノン－１－ジアゾニウムのサイクリックボルタンメトリーグラフト化手順からの単一サイクルを示す（５０ｍＶ／秒、テトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェート支持電解質、１．２～－０．５Ｖ対Ａｇ／Ａｇ^＋）。サイクリックボルタンモグラムのピークは、キノンジアゾニウム種の不可逆的な還元に対応し、Ｎ_２の損失及びそれに続くＣ－Ｃ結合の形成を伴って進行する。図５は、３０サイクルのグラフト化実験にわたる、サイクル数の関数として渡された電荷のプロットを示す。次に、グラフト化アントラキノンを有するナノチューブマットを１．９８ｃｍ^２の円盤に切り出し、６ｍＬのヘッドスペース容量を有しＣＯ_２雰囲気を有する密閉セル内で、ポリ（ビニルフェロセン）対極、Ｃｅｌｇａｒｄ ３４０１セパレータ、及びＢｍｉｍ－ＴＦＳＩ電解質を有するセルに組み込んだ。図６は、充電時及び放電時の電圧及び電流対時間を示す。図７は、通過した電荷量とそれに伴うヘッドスペース内の圧力変化を示しており、充電中にＣＯ_２が吸着されると減少し、放電中にＣＯ_２が放出されると増加する。

（実施例３）
ポリ（フェニルナフトキノン）（ＰＰＮＱ）を、Ｎ－メチル－２－ピロリドン中に６ミリグラム／ミリメートルの濃度で溶解させた。この溶液を、Ｎａｎｏｃｏｍｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から市販されているＭｉｒａｌｏｎ（商標）として入手したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）マットに、ラスタリング（ｒａｓｔｅｒｉｎｇ）スプレーヘッドを含む自作スプレーコーターを用いて、ＣＮＴマットの平方センチあたり１ミリグラムＰＰＮＱの負荷となるように噴霧した。新たに噴霧されたマットをテフロン（登録商標）支持体上に移し、熱脱水機（ＬｅＭ社製Ｍｉｇｈｔｙ Ｂｉｔｅ １０ Ｔｒａｙ Ｄｅｈｙｄｒａｔｏｒ）に入れ、６５℃で２時間乾燥させた。

次に、得られたＰＰＮＱ－ＣＮＴマット複合電極を１．９８ｃｍ^２の円盤又は２５ｃｍ^２の正方形のいずれかに切り出し、ポリ（ビニルフェロセン）対極、Ｃｅｌｇａｒｄ ３４０１セパレータ、及び電極及びセパレータの細孔を充填するＢｍｉｍ－ＴＦＳＩ電解質とともにセルに組み込んだ。サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）、クロノアンペロメトリー、及びＣＯ_２雰囲気による密閉セルとＮ_２＋Ｏ_２＋ＣＯ_２雰囲気下のフローセル形状の両方での繰り返し充放電サイクルを用いて、性能を特性決定した。

図８は、Ｎ_２中の３つの濃度のＣＯ_２下にて密閉セル形状で測定された、実施例３の噴霧ＰＰＮＱ－ＣＮＴマット複合電極におけるＣＯ_２のフラックス（ｇ・ｍ^－２・時^－１）のプロットを示す。複合電極を（ポリ（ビニルフェロセン）対極に対して）１．７Ｖまで急速に充電した。電極によるＣＯ_２捕捉をもたらす圧力変化を経時的に記録し、多項式に当てはめた。この曲線の最大勾配は、電極を通過するＣＯ_２の最大フラックスを表す。これらの結果は、実施例３で作成した多孔質ＣＮＴマットによって得た物質輸送の利点を示している。

本開示は、更に以下の態様を包含する。

態様１：複数の絡み合ったカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ不織マットと；カーボンナノチューブ不織マット上に配置された電気活性種とを含む複合体であって、電気活性種が還元状態にあるときに標的ガスと結合し、電気活性種が酸化状態にあるときに標的ガスを放出することができる、複合体。

態様２：カーボンナノチューブが、５０ナノメートル以下、好ましくは１～２０ナノメートルの平均直径を有する、態様１に記載の複合体。

態様３：カーボンナノチューブが、１マイクロメートル～２ミリメートルの平均長さを有する、態様１又は２に記載の複合体。

態様４：複合体が、少なくとも２０％、好ましくは３０～６０％の多孔率を有する、態様１から３のいずれか一項に記載の複合体。

態様５：カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、又はそれらの組み合わせを含む、態様１から４のいずれか一項に記載の複合体。

態様６：１００マイクロメートル未満、又は２～１００マイクロメートル未満、又は５～４０マイクロメートルの厚さを有する、態様１から５のいずれか一項に記載の複合体。

態様７：カーボンナノチューブ不織マットが、炭素繊維、グラフェン、還元型酸化グラフェン、カーボンブラック、ケッチェンブラック、又は構造化カーボンブラックを更に含む、態様１から６のいずれか一項に記載の複合体。

態様８：複合体が、ポリマー結合剤を更に含む、態様１から７のいずれか一項に記載の複合体。

態様９：電気活性種が、カーボンナノチューブ不織マットの表面上にある、態様１から８のいずれか一項に記載の複合体。

態様１０：電気活性種が、カーボンナノチューブ不織マットのカーボンナノチューブの表面上にある、態様１から９のいずれか一項に記載の複合体。

態様１１：電気活性種が、電気活性ポリマー、電気活性オリゴマー、電気活性有機化合物、電気活性無機複合体、電気活性有機金属複合体、又はそれらの組み合わせを含む、態様１から１０のいずれか一項に記載の複合体。

態様１２：電気活性種が、電気活性ポリマー、電気活性オリゴマー、電気活性有機化合物、又はそれらの組み合わせを含む、態様１から１１のいずれか一項に記載の複合体。

態様１３：電気活性種が、置換又は非置換キノン又はテトロン、好ましくは、ベンゾキノン、１，４－ナフトキノン、１，２－ナフトキノン、アントラキノン、フェナントレンキノン、ベンザントラキノン、ジベンゾアントラキノン、４，５，９，１０－ピレンテトロン、又はそれらの組み合わせと；置換又は非置換キノン又はテトロンから誘導された繰り返し単位を含むポリマー又はオリゴマー、好ましくは、ベンゾキノン、１，４－ナフトキノン、１，２－ナフトキノン、アントラキノン、フェナントレンキノン、ベンザントラキノン、ジベンゾアントラキノン、４，５，９，１０－ピレンテトロン、又はそれらの組み合わせから誘導された繰り返し単位を含むポリマーとを含む、態様１から１２のいずれか一項に記載の複合体。

態様１４：電気活性種の含有量が、複合体の総質量に対して、１０～９０質量％である、態様１から１３のいずれか一項に記載の複合体。

態様１５：カーボンナノチューブマットのカーボンナノチューブの表面上の電気活性種の厚さが、０．１～２０ナノメートルである、態様１から１４のいずれか一項に記載の複合体。

態様１６：電気活性種が、少なくとも１０^１Ｍ^－１、好ましくは１０^１～１０^２０Ｍ^－１、より好ましくは１０^３～１０^２０の標的ガスとの結合定数を有する、態様１から１５のいずれか一項に記載の複合体。

態様１７：電気活性種が電気活性ポリマー又は電気活性オリゴマーを含み、電気活性ポリマー又は電気活性オリゴマーが架橋されている、態様１から１６のいずれか一項に記載の複合体。

態様１８：電気活性種が、カーボンナノチューブ不織マットに共有結合している、態様１から１７のいずれか一項に記載の複合体。

態様１９：標的ガスが、ルイス酸ガスを含む、態様１から１８のいずれか一項に記載の複合体。

態様２０：多孔質セパレータと；態様１から１９のいずれか一項に記載の複合体とを含む、電極アセンブリ。

態様２１：態様１から１９のいずれか一項に記載の複合体を含む、電気化学セル。

態様２２：態様１から１９のいずれか一項に記載の複合体を含む第１の電極と；相補的電気活性複合体層を含む第２の電極と；第１の電極と第２の電極との間の第１のセパレータとを含む、態様２１に記載の電気化学セル。

態様２３：複合体が、電解質を更に含む、態様２１又は２２に記載の電気化学セル。

態様２４：ガス入口及びガス出口と流体連通している複数の電気化学セルであって、複数の電気化学セルの各々が、態様２１から２３のいずれか一項に記載のものである、複数の電気化学セルを含む、ガス分離システム。

態様２５：カーボンナノチューブ不織マットを電気活性種と接触させる工程を含む、態様１から１９のいずれか一項に記載の複合体の製造方法。

態様２６：カーボンナノチューブ不織マットを電気活性種と接触させる工程が、電気活性種を含む溶液をカーボンナノチューブ不織マットと接触させる工程、又は電気活性種を含む気相をカーボンナノチューブ不織マットと接触させる工程を含む、態様２５に記載の方法。

態様２７：電気活性種が、電気活性ポリマー、電気活性オリゴマー、又はそれらの組み合わせを含み、方法が、電気活性ポリマー又は電気活性オリゴマーを架橋する工程を更に含む、態様２６に記載の方法。

態様２８：複数の電気活性モノマーと、少なくとも１つの開始剤と、任意選択で架橋剤とを含む溶液を、カーボンナノチューブ不織マットに接触させる工程と；カーボンナノチューブ不織マットの存在下で重合を開始させる工程とを含む、態様１から１９のいずれか一項に記載の複合体の製造方法。

組成物、方法、及び物品は、代替的に、本明細書に開示された任意の好適な材料、工程、又は成分を含むか、それらから成るか、又はそれらから本質的に成ることができる。組成物、方法、及び物品は、追加的に又は代替的に、組成物、方法、及び物品の機能若しくは目的の達成に必要でない任意の材料（若しくは種）、工程、若しくは成分を含まないように、又は実質的に含まないように、製造され得る。

本明細書に開示された全ての範囲は、終点を包含し、終点は、独立して互いに組み合わせ可能である。「組み合わせ」は、ブレンド、混合物、合金、反応生成物等を包含する。「第１」、「第２」等の用語は、順序、数量、又は重要性を示すものではなく、ある要素を他の要素から区別するために使用されるものである。用語「ａ」及び「ａｎ」並びに「ｔｈｅ」は、数量の制限を示すものではなく、本明細書において特に指示がない限り、又は文脈によって明らかに矛盾しない限り、単数と複数の両方を意味すると解釈される。「又は」は、明確に別段の記載がない限り、「及び／又は」を意味する。本明細書全体を通して「一態様」への言及は、その態様に関連して説明される特定の要素が、本明細書に記載される少なくとも１つの態様に含まれ、他の態様において存在してもしなくてもよいことを意味する。本明細書で使用される「それらの組み合わせ」という用語は、列挙された要素の１つ以上を含み、挙げられていない１つ以上の同様の要素の存在を許容する、開放的なものである。加えて、記載された要素は、様々な局面において任意の好適な仕方で組み合わされてよいことを理解されたい。

本明細書で反対の指定がない限り、全ての試験規格は、本出願の出願日、又は優先権が主張される場合は、試験規格が現れる最も早い優先権出願の出願日において有効な最新の規格である。

別段の定義がない限り、本明細書で使用される技術用語及び科学用語は、本出願が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。引用された全ての特許、特許出願、及び他の文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。ただし、本出願の用語が、組み込まれた文献の用語と矛盾又は相反する場合、本出願の用語が、組み込まれた文献の矛盾する用語に優先して適用される。

化合物は、標準的な命名法を用いて記載されている。例えば、指示された基で置換されていない位置は、指示された結合又は水素原子によってその原子価が満たされているものと理解される。２つの文字又は記号の間にないダッシュ（「－」）は、置換基の結合位置を示すのに使用される。例えば、－ＣＨＯは、カルボニル基の炭素を介して結合する。

本明細書で使用する場合、「ヒドロカルビル」という用語は、それ自体で使用するか、別の用語の接頭辞、接尾辞、又は断片として使用するかを問わず、炭素及び水素のみを含有する残基を指す。残基は、脂肪族又は芳香族、直鎖、環状、二環状、分枝、飽和、又は不飽和であり得る。残基はまた、脂肪族、芳香族、直鎖、環状、二環状、分枝、飽和、及び不飽和の炭化水素部分の組み合わせを含有し得る。しかしながら、ヒドロカルビル残基が置換として記載される場合、ヒドロカルビル残基は、任意選択で、置換基残基の炭素及び水素員に加えて、ヘテロ原子を含有していてもよい。したがって、特に置換として記載される場合、ヒドロカルビル残基は、１つ以上のカルボニル基、アミノ基、ヒドロキシル基等を含有することもでき、又はヒドロカルビル残基の主鎖内にヘテロ原子を含有することもできる。「アルキル」という用語は、分枝鎖又は直鎖の飽和脂肪族炭化水素基、例えば、メチル、エチル、ｎ－プロピル、ｉ－プロピル、ｎ－ブチル、ｓ－ブチル、ｔ－ブチル、ｎ－ペンチル、ｓ－ペンチル、並びにｎ－及びｓ－ヘキシルを意味する。「アルケニル」とは、少なくとも１つの炭素－炭素二重結合を有する直鎖又は分岐鎖の一価炭化水素基（例えば、エテニル（－ＨＣ＝ＣＨ２））を意味する。「アルコキシ」とは、酸素を介して結合しているアルキル基（すなわち、アルキル－Ｏ－）、例えば、メトキシ基、エトキシ基、及びｓｅｃ－ブチロキシ基を意味する。「アルキレン」とは、直鎖又は分岐鎖の飽和二価脂肪族炭化水素基（例えば、メチレン（－ＣＨ_２－）又はプロピレン（－（ＣＨ_２）_３－））を意味する。「シクロアルキレン」は、二価環状アルキレン基－Ｃ_ｎＨ_２ｎ－ｘ（式中、ｘは、環化によって置換された水素の数である）を意味する。「シクロアルケニル」とは、１つ以上の環及び環中に１つ以上の炭素－炭素二重結合を有する一価の基を意味し、全ての環原子は炭素である（例えば、シクロペンチル、及びシクロヘキシル）。「アリール」とは、フェニル、トロポン、インダニル、又はナフチル等の、所定の数の炭素原子を含有する芳香族炭化水素基を意味する。「アリーレン」は、二価のアリール基を意味する。「アルキルアリーレン」は、アルキル基で置換されたアリーレン基を意味する。「アリールアルキレン」は、アリール基（例えば、ベンジル）で置換されたアルキレン基を意味する。接頭辞の「ｈａｌｏ」は、フルオロ、クロロ、ブロモ、又はヨードのうちの１つ以上の置換基を含む基又は化合物を意味する。異なるハロ原子の組み合わせ（例えば、ブロモ及びフルオロ）、又はクロロ原子のみが存在し得る。接頭辞「ヘテロ」は、化合物又は基がヘテロ原子（例えば、１、２、又は３個のヘテロ原子）である少なくとも１つの環原子を含むことを意味し、ここでヘテロ原子はそれぞれ独立してＮ、Ｏ、Ｓ、Ｓｉ、又はＰである。「置換」とは、置換原子の通常の価数を越えないことを条件として、化合物又は基が、それぞれ独立して、水素の代わりに、Ｃ_１～９アルコキシ、Ｃ_１～９ハロアルコキシ、ニトロ（－ＮＯ_２）、シアノ（－ＣＮ）、Ｃ_１～６アルキルスルホニル（－Ｓ（＝Ｏ）_２－アルキル）、Ｃ_６～１２アリールスルホニル（－Ｓ（＝Ｏ）_２－アリール）、チオール（－ＳＨ）、チオシアノ（－ＳＣＮ）、トシル（ＣＨ_３Ｃ_６Ｈ_４ＳＯ_２－）、Ｃ_３～１２シクロアルキル、Ｃ_２～１２アルケニル、Ｃ_５～１２シクロアルケニル、Ｃ_６～１２アリール、Ｃ_７～１３アリールアルキレン、Ｃ_４～１２ヘテロシクロアルキル、及びＣ_３～１２ヘテロアリールであり得る、少なくとも１つ（例えば、１つ、２つ、３つ、又は４つ）の置換基で置換されていることを意味する。基において示される炭素原子の数は、置換基を除いたものである。例えば、－ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＮは、ニトリルで置換されたＣ_２アルキル基である。

特定の態様を説明してきたが、現在予測できない、又は予測できない場合がある、代替、修正、変形、改良、及び実質的な均等物が、出願人又は他の当業者に生じ得る。したがって、出願時の及び修正され得る、添付された特許請求の範囲は、全てのそのような代替、修正、変形、改良、及び実質的な均等物を包含することを意図している。

１００ 電気化学セル
１１０ 第１の電極
１１５ ガス拡散層
１２０ 導電性足場
１２２ 炭素繊維
１２４ カーボンナノチューブ
１３０ 電気活性種
１６０ ガス流場
１７０ 第２の電極
１８０ セパレータ

Claims (28)

1. 複数の絡み合ったカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ不織マットと；
   カーボンナノチューブ不織マット上に配置された電気活性種と
   を含む複合体であって、
   電気活性種が還元状態にあるときに標的ガスと結合し、電気活性種が酸化状態にあるときに標的ガスを放出することができる、
   複合体。
2. カーボンナノチューブが、５０ナノメートル以下、好ましくは１～２０ナノメートルの平均直径を有する、請求項１に記載の複合体。
3. カーボンナノチューブが、１マイクロメートル～２ミリメートルの平均長さを有する、請求項１に記載の複合体。
4. 複合体が、少なくとも２０％、好ましくは３０～６０％の多孔率を有する、請求項１に記載の複合体。
5. カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の複合体。
6. 複合体が、１００マイクロメートル未満、又は２～１００マイクロメートル未満、又は５～４０マイクロメートルの厚さを有する、請求項１に記載の複合体。
7. カーボンナノチューブ不織マットが、炭素繊維、グラフェン、還元型酸化グラフェン、カーボンブラック、ケッチェンブラック、又は構造化カーボンブラックを更に含む、請求項１に記載の複合体。
8. 複合体が、ポリマー結合剤を更に含む、請求項１に記載の複合体。
9. 電気活性種が、カーボンナノチューブ不織マットの表面上にある、請求項１に記載の複合体。
10. 電気活性種が、カーボンナノチューブ不織マットのカーボンナノチューブの表面上にある、請求項１に記載の複合体。
11. 電気活性種が、電気活性ポリマー、電気活性オリゴマー、電気活性有機化合物、電気活性無機複合体、電気活性有機金属複合体、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の複合体。
12. 電気活性種が、電気活性ポリマー、電気活性オリゴマー、電気活性有機化合物、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の複合体。
13. 電気活性種が、
    置換又は非置換キノン又はテトロン、好ましくは、ベンゾキノン、１，４－ナフトキノン、１，２－ナフトキノン、アントラキノン、フェナントレンキノン、ベンゾアントラキノン、ジベンゾアントラキノン、４，５，９，１０－ピレンテトロン、又はそれらの組み合わせと；
    置換又は非置換キノン又はテトロンから誘導された繰り返し単位を含むポリマー又はオリゴマー、好ましくは、ベンゾキノン、１，４－ナフトキノン、１，２－ナフトキノン、アントラキノン、フェナントレンキノン、ベンゾアントラキノン、ジベンゾアントラキノン、４，５，９，１０－ピレンテトロン、又はそれらの組み合わせから誘導された繰り返し単位を含むポリマーと
    を含む、請求項１に記載の複合体。
14. 電気活性種の含有量が、複合体の総質量に対して、１０～９０質量％である、請求項１に記載の複合体。
15. カーボンナノチューブマットのカーボンナノチューブの表面上の電気活性種の厚さが、０．１～２０ナノメートルである、請求項１に記載の複合体。
16. 電気活性種が、少なくとも１０^１Ｍ^－１、好ましくは１０^１～１０^２０Ｍ^－１、より好ましくは１０^３～１０^２０の標的ガスとの結合定数を有する、請求項１に記載の複合体。
17. 電気活性種が電気活性ポリマー又は電気活性オリゴマーを含み、電気活性ポリマー又は電気活性オリゴマーが架橋されている、請求項１に記載の複合体。
18. 電気活性種が、カーボンナノチューブ不織マットに共有結合している、請求項１に記載の複合体。
19. 標的ガスが、ルイス酸ガスを含む、請求項１記載の複合体。
20. 多孔質セパレータと；
    請求項１に記載の複合体と
    を含む電極アセンブリ。
21. 請求項１に記載の複合体を含む、電気化学セル。
22. 請求項１に記載の複合体を含む第１の電極と；
    相補的電気活性複合体層を含む第２の電極と；
    第１の電極と第２の電極との間の第１のセパレータと
    を含む、請求項２１に記載の電気化学セル。
23. 複合体が、電解質を更に含む、請求項２１に記載の電気化学セル。
24. ガス入口及びガス出口と流体連通している複数の電気化学セルであって、複数の電気化学セルの各々が、請求項２１に記載のものである、複数の電気化学セル
    を含む、ガス分離システム。
25. カーボンナノチューブ不織マットを電気活性種と接触させる工程を含む、請求項１に記載の複合体の製造方法。
26. カーボンナノチューブ不織マットを電気活性種と接触させる工程が、電気活性種を含む溶液をカーボンナノチューブ不織マットと接触させる工程、又は電気活性種を含む気相をカーボンナノチューブ不織マットと接触させる工程を含む、請求項２５に記載の方法。
27. 電気活性種が、電気活性ポリマー、電気活性オリゴマー、又はそれらの組み合わせを含み、方法が、電気活性ポリマー又は電気活性オリゴマーを架橋する工程を更に含む、請求項２６に記載の方法。
28. 複数の電気活性モノマーと、少なくとも１つの開始剤と、任意選択で架橋剤とを含む溶液をカーボンナノチューブ不織マットと接触させる工程と；
    カーボンナノチューブ不織マットの存在下で重合を開始させる工程と
    を含む、請求項１に記載の複合体の製造方法。

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