(57)【要約】【解決手段】二酸化炭素から合成ガスを電気化学的に生産するための方法が開示されている。方法は、一般に、工程（Ａ）〜（Ｃ）を備える。工程（Ａ）は、分割電気化学セル内の電解質および触媒の溶液中に二酸化炭素をバブリングしてよい。分割電気化学セルは、第１のセルコンパートメント内のアノードと、第２のセルコンパートメント内のカソードとを備えてよい。カソードは、一般に、二酸化炭素を複数の成分に還元する。工程（Ｂ）は、（ｉ）カソード材料および（ｉｉ）カソードの表面形態の少なくとも一方を調節することによって、合成ガス中の成分のモル比を確立してよい。工程（Ｃ）は、溶液から合成ガスを分離してよい。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素から合成ガスを電気化学的に生産するための方法であって、
（Ａ）前記二酸化炭素を、分割電気化学セル内の電解質および触媒の溶液中にバブリングする工程と、（ｉ）前記分割電気化学セルは、第１のセルコンパートメント内のアノードと、第２のセルコンパートメント内のカソードとを備え、（ｉｉ）前記カソードは、前記二酸化炭素を複数の成分に還元し、
（Ｂ）（ｉ）カソード材料および（ｉｉ）前記カソードの表面形態の少なくとも一方を調節することによって、前記合成ガス中の前記成分のモル比を確立する工程と、
（Ｃ）前記溶液から前記合成ガスを分離する工程と、
を備える、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記成分は、一酸化炭素および水素を含む、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、前記モル比は、前記一酸化炭素１モル当たり少なくとも１モルの前記水素を含む、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記カソード材料は、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｇａ、Ｈｇ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ  、Ｎｉ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎ、エルジロイ、ニクロム、オーステナイト鋼、二相鋼、フェライト鋼、マルテンサイト鋼、ステンレス鋼、縮退ドープｐ−Ｓｉ、縮退ドープｐ−Ｓｉ：Ａｓ、および、縮退ドープｐ−Ｓｉ：Ｂ、の内の少なくとも１つである、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、（ｉ）前記カソードは担体上に担持された複数の金属粒子を含み、（ｉｉ）前記担体は導電性である、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、前記カソードの前記表面形態は、滑面を含む、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、前記カソードの前記表面形態は、粗面を含む、方法。
【請求項８】
二酸化炭素から合成ガスを電気化学的に生産するための方法であって、
（Ａ）前記二酸化炭素を、分割電気化学セル内の電解質および触媒の溶液中にバブリングする工程と、（ｉ）前記分割電気化学セルは、第１のセルコンパートメント内のアノードと、第２のセルコンパートメント内のカソードとを備え、（ｉｉ）前記カソードは、前記二酸化炭素を複数の成分に還元し、
（Ｂ）（ｉ）前記電解質および（ｉｉ）前記触媒の一方または両方を調節することによって、前記合成ガス中の前記成分のモル比を確立する工程と、
（Ｃ）前記溶液から前記合成ガスを分離する工程と、
を備える、方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記成分は、一酸化炭素および水素を含む、方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法であって、前記電解質は、Ｎａ2ＳＯ4、ＫＣｌ、ＮａＮＯ3、ＮａＣｌ、ＮａＦ、ＮａＣｌＯ4、ＫＣｌＯ4、Ｋ2ＳｉＯ3、ＣａＣｌ2、Ｈ陽イオン、Ｌｉ陽イオン、Ｎａ陽イオン、Ｋ陽イオン、Ｒｂ陽イオン、Ｃｓ陽イオン、Ｃａ陽イオン、アンモニウム陽イオン、アルキルアンモニウム陽イオン、Ｆ陰イオン、Ｃｌ陰イオン、Ｂｒ陰イオン、Ｉ陰イオン、Ａｔ陰イオン、アルキルアミン、ホウ酸塩、カーボネート、亜硝酸塩、硝酸塩、リン酸塩、ポリリン酸塩、過塩素酸塩、ケイ酸塩、硫酸塩、および、テトラアルキルアンモニウム塩、の内の少なくとも１つである、方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の方法であって、前記触媒は、アデニン、硫黄を含有するアミン、酸素を含有するアミン、アゾール、ベンズイミダゾール、ビピリジン、フラン、イミダゾール、少なくとも１つの五員環を備えたイミダゾール関連種、インドール、メチルイミダゾール、オキサゾール、フェナントロリン、プテリン、プテリジン、ピリジン、少なくとも１つの六員環を備えたピリジン関連種、ピロール、キノリン、および、チアゾール、の内の１または複数である、方法。
【請求項１２】
請求項８に記載の方法であって、前記合成ガス中の水素のファラデー収率が、少なくとも２５パーセントである、方法。
【請求項１３】
請求項８に記載の方法であって、前記合成ガス中の一酸化炭素のファラデー収率が、少なくとも２５パーセントである、方法。
【請求項１４】
請求項８に記載の方法であって、前記モル比を確立する工程は、（ｉ）カソード材料および（ｉｉ）前記カソードの表面形態の少なくとも一方を調節する工程を含む、方法。
【請求項１５】
二酸化炭素から合成ガスを電気化学的に生産するための方法であって、
（Ａ）前記二酸化炭素を、分割電気化学セル内の電解質および触媒の溶液中にバブリングする工程と、（ｉ）前記分割電気化学セルは、第１のセルコンパートメント内のアノードと、第２のセルコンパートメント内のカソードとを備え、（ｉｉ）前記カソードは、前記二酸化炭素を複数の成分に還元し、
（Ｂ）（ｉ）ｐＨレベルおよび（ｉｉ）前記二酸化炭素の流量の一方または両方を調節することによって、前記合成ガス中の前記成分のモル比を確立する工程と、
（Ｃ）前記溶液から前記合成ガスを分離する工程と、
を備える、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記成分は、一酸化炭素および水素を含む、方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、前記モル比は、前記一酸化炭素１モル当たり少なくとも１モルの前記水素を含む、方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、前記ｐＨレベルは、約４〜約８までの範囲にある、方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の方法であって、電位が、約−０．７ボルト〜約−１．５ボルトまでの範囲にある、方法。
【請求項２０】
請求項１５に記載の方法であって、前記モル比を確立する工程は、（ｉ）カソード材料および（ｉｉ）前記カソードの表面形態の少なくとも一方を調節する工程を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には化学的還元に関し、特に、二酸化炭素からの合成ガスの電気化学的生産を実行する方法および／または装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電、輸送、製造などの活動における化石燃料の燃焼は、毎年、何十億トンもの二酸化炭素を生み出している。１９７０年代以来の研究が示すように、大気中の二酸化炭素濃度の増加が、地球の気候の変化、海洋のｐＨの変化、および、その他の潜在的に有害な影響に関与している可能性がある。米国を含め、世界中の国々が、二酸化炭素排出を削減する方法を模索している。
【０００３】
排出削減のための１つのメカニズムは、二酸化炭素を燃料および工業用化学物質など経済的に価値のある物質に変換することである。再生可能エネルギ源からのエネルギを用いて二酸化炭素を変換すれば、二酸化炭素排出を削減することと、後の利用に向けて貯蔵できる化学形態に再生可能エネルギを転換することの両方が可能になる。電気化学的および光化学的経路が、二酸化炭素変換の技術である。
【０００４】
この分野での以前の仕事には、プロセスに用いられるシステムの安定性、システムの効率、所望の化学物質のためのシステムおよびプロセスの選択性、システム／プロセスで用いられる材料のコスト、プロセスを効率的に制御する能力、および、二酸化炭素の変換率など、多くの制約があった。合成ガスを生産するための既存のシステムは、バイオマスのガス化またはメタンの水蒸気改質に依存している。プロセスは、高温かつ高圧を利用する。化石燃料由来の合成ガスの場合、それから作られた液体燃料は、温室効果ガス排出を増大させる。バイオマス由来の合成ガスは、温室効果ガス排出を低減できるが、効率よく変換することが難しい場合があり、望ましくない灰およびその他の有毒な物質を生み出す。二酸化炭素を経済的に価値のある燃料または工業用化学物質に変換するための商業的に利用可能な解決策は現在のところ存在しない。世界中の研究所が、電気化学および／または光化学を用いて二酸化炭素を経済的に価値のある生成物（製品）に変換しようと、長年試みてきた。１９世紀の研究に始まり、この課題に関する何百もの文献が存在する。１９９９年より前に行われた研究の多くが、ＨａｌｍａｎｎとＳｔｅｉｎｂｅｒｇによる「温室効果ガス二酸化炭素削減の科学と技術（Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ  Ｇａｓ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ  Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」にまとめられている。二酸化炭素削減の電気化学的手段に関する研究のより新しい概説は、Ｍａｒｉａ  Ｊｉｔａｒｕによる「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ−Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｔｏｐｉｃｓ（Ｒｅｖｉｅｗ）」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ、２００７年、３３３〜３４４ページ、である。
【０００５】
実験室での電気化学的方法は、通常、電極を含む小さい（すなわち、１リットル未満の）ガラスセルと、二酸化炭素がバブリング（通気）された支持電解質を含む水溶液とを用いるが、水以外の溶媒を利用することもできる。二酸化炭素の還元は、カソードで直接起きるか、もしくは、遷移金属または遷移金属錯体のいずれかである溶液中の媒介物質を介して起きる。光電気化学的な方法も、二酸化炭素がバブリングされた支持電解質を含む水溶液を用いる。主な違いは、二酸化炭素の還元のためのエネルギの一部または全部が太陽光由来であることである。二酸化炭素の還元は、光起電材料上、または、染料によって光増感された触媒上で起きる。これまでに開発されたすべてのシステムが、以上のような理由から商業的なシステムになりえなかった。実験室で開発されたシステムは、様々な性能の限界のために商業規模または工業規模にはなりえなかった。
【０００６】
既存の電気化学的および光化学的なプロセス／システムは、大規模な商業化を妨げる以下の問題の内の１または複数を有している。いくつかのプロセスは、稀少かつ高価なルテニウムまたは金などの金属を利用する。他のプロセスでは、溶媒のコストおよび利用可能性のためにプロセスの規模拡大を困難にする有機溶媒、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、プロピレンカーボネートなどが利用されていた。銅、銀、および、金は、二酸化炭素を様々な生成物に還元することが分かっている。しかしながら、電極は、電極で起こる望ましくない反応によってすぐに「汚染される」ため、しばしば、１時間未満で機能しなくなる。同様に、ガリウム系半導体は、二酸化炭素を還元するが、水にすぐ溶ける。多くのカソードは、有機生成物の混合物を生成する。例えば、銅は、メタン、ギ酸、エチレン、および、エタノールなど、気体および液体の混合物を生成する。生成物が混ざっていることにより、生成物の抽出および精製に費用がかかり、処分すべき望ましくない廃棄物を生じうる。二酸化炭素の還元に関して今まで行われてきた研究の多くは、利用する電位が高い、所望の生成物のファラデー収率が低い、および／または、高圧での作動が必要であることから、非効率的である。したがって、二酸化炭素還元のために消費されるエネルギは、非常に大きくなる。多くの従来の二酸化炭素還元技術は、反応速度が非常に遅い。例えば、いくつかの商業用システムは、１平方センチメートル当たり１００ミリアンペア（ｍＡ／ｃｍ2）を超える電流密度を有するが、実験室で達成される速度は、桁違いに小さい。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、二酸化炭素から合成ガスを電気化学的に生産するための方法に関する。方法は、一般に、工程（Ａ）から（Ｃ）を備える。工程（Ａ）は、分割電気化学セル内の電解質および触媒の溶液中に二酸化炭素をバブリングしてよい。分割電気化学セルは、第１のセルコンパートメント内のアノードと、第２のセルコンパートメント内のカソードとを備えてよい。カソードは、一般に、二酸化炭素を複数の成分に還元する。工程（Ｂ）は、（ｉ）カソード材料および（ｉｉ）カソードの表面形態の少なくとも一方を調節することによって、合成ガス中の成分のモル比を確立してよい。工程（Ｃ）は、溶液から合成ガスを分離してよい。
【０００８】
本発明の課題、特徴、および、利点は、（ｉ）二酸化炭素および水を原料として用いて一酸化炭素および水素ガスを同時に発生させるためのカソードの組み合わせ、（ｉｉ）所望の一酸化炭素／水素ガスモル比を得るために用いられる、カソード材料、電解質、電位、ｐＨレベル、二酸化炭素流量、および／または、複素環触媒の組み合わせ、（ｉｉｉ）二酸化炭素の一酸化炭素への変換を最適化しつつ水素ガス発生を最適化する特定のプロセス条件、（ｉｖ）人工的な官能基を備えた特定の構成の複素環アミン触媒の選択、（ｖ）電極およびセルの長寿命のサイクルを容易にしうるプロセス条件、ならびに／もしくは、（ｖｉ）長期の生成物回収を実現しうるプロセス条件、を提供しうる、二酸化炭素から合成ガスを電気化学的に生産するための方法および／または装置を提供することである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明のこれらおよびその他の課題、特徴、および、利点は、以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲、および、図面から明らかになり、図面は、以下の通りである：
【００１０】
【図１】本発明の好ましい実施形態に従って、システムを示すブロック図。
【００１１】
【図２】様々なカソードに対する相対的な有機生成物の収率を示す表。
【００１２】
【図３】複素環芳香族アミン触媒の構造式を示す図。
【００１３】
【図４】置換または非置換芳香族六員複素環アミンの構造式を示す図。
【図５】置換または非置換六員複素環アミンの構造式を示す図。
【図６】置換または非置換芳香族五員複素環アミンの構造式を示す図。
【００１４】
【図７】電気化学の例で用いられる方法の一例を示すフローチャート。
【００１５】
【図８】光化学の例で用いられる方法の一例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明のいくつかの実施形態によると、一般に少しの過電圧で二酸化炭素を水溶液中の高度に還元された種に変換することを可能にする電極触媒システムが提供される。いくつかの実施形態は、一般に、二酸化炭素および水からの一酸化炭素および水素ガスの発生に関する。炭素−炭素間の結合および／または炭素−水素間の結合が、最小限のエネルギを用いて穏やかな条件下で水溶液中に形成されうる。いくつかの実施形態において、システムによって用いられるエネルギは、システムの実装方法に応じて、代替エネルギ源から生成されてもよいし、可視光を直接利用して生成されてもよい。
【００１７】
二酸化炭素の還元は、複素環芳香族アミン（例えば、ピリジン、イミダゾール、および、置換誘導体）によって適切に触媒されうる。単純な有機化合物が、ギ酸、ホルムアルデヒド、および、メタノールなどの有機生成物への二酸化炭素の水系多電子多プロトン還元のための効果的、安定的、かつ、均質な電極触媒および光電極触媒になることがわかっている。一般に、低い反応過電圧で電気化学システムおよび光電気化学システムの両方で、還元生成物の高いファラデー収率が見られた。
【００１８】
したがって、本発明のいくつかの実施形態は、環境に有益な二酸化炭素還元方法に関する。方法は、一般に、１つのセルコンパートメント内のアノード（例えば、不活性の導電性対電極）と、別のセルコンパートメント内の導電体またはｐ型半導体の作用カソード電極とを含む水系の電解質支持型分割電気化学セルにおいて二酸化炭素を電気化学的および／または光電気化学的に還元する工程を備える。１または複数の置換または非置換複素環芳香族アミンの触媒が、還元有機生成物を生成するために含まれてよい。二酸化炭素は、溶液を飽和させるためにカソード電解質溶液を通して連続的にバブリングされてよい。
【００１９】
電気化学的還元について、電極は、以下のような適切な導電性電極であってよい。Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｃ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｕ合金（例えば、真鍮および青銅）、Ｇａ、Ｈｇ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎ、ステンレス鋼（ＳＳ）、オーステナイト鋼、フェライト鋼、二相鋼、マルテンサイト鋼、ニクロム、エルジロイ（例えば、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ）、縮退ドープｐ−Ｓｉ、縮退ドープｐ−Ｓｉ：Ａｓ、および、縮退ドープｐ−Ｓｉ：Ｂ。特定の応用例の基準を満たすために、その他の導電性電極が実装されてもよい。光電気化学的還元について、電極は、以下のようなｐ型半導体であってよい。ｐ−ＧａＡｓ、Ｐ−ＧａＰ、ｐ−ＩｎＮ、Ｐ−ＩｎＰ、Ｐ−ＣｄＴｅ、Ｐ−ＧａＩｎＰ2、および、Ｐ−Ｓｉ。特定の応用例の基準を満たすために、その他の半導体電極が実装されてもよい。
【００２０】
二酸化炭素を電気化学的または光電気化学的に変換するための触媒は、置換または非置換の複素環芳香族アミンであってよい。適切なアミンは、一般に、少なくとも１つの環窒素を有する五員環または六員環である複素環化合物を含みうるがそれらに限定されない複素環である。例えば、ピリジン、イミダゾールおよび少なくとも１つの五員環を有するイミダゾール関連種、ビピリジン（例えば、２つが結合したピリジン）、ならびに、置換誘導体が、一般に、電気化学的還元および／または光電気化学的還元のための触媒として適していると分かっている。硫黄または酸素を環内に有するアミンも、還元に適しうる。硫黄または酸素を有するアミンは、チアゾールまたはオキサゾールを含みうる。その他の芳香族アミン（例えば、キノリン、アデニン、ベンズイミダゾール、および、１，１０−フェナントロリン）も効果的な電極触媒でありうる。
【００２１】
本発明の任意の実施形態を詳細に説明する前に、実施形態は、以下の説明に記載されたまたは図面に示された構造または機能の詳細によって応用例を限定されないことを理解されたい。異なる実施形態が、様々な方法で実施または実行されうる。また、本明細書で用いられている表現および用語は、説明を目的としたものであり、限定と見なされるべきではないことを理解されたい。本明細書における「含む」、「備える」、または、「有する」などの用語およびそれらの変化形の使用は、一般に、列挙された項目およびそれらの等価物と、さらなる項目とを包含することを意味する。さらに、特に断りのない限り、技術用語は、従来の用法に従って用いられうる。
【００２２】
方法に関する以下の説明において、プロセス工程は、特に明記しない限り、或る範囲の温度（例えば、約１０℃〜５０℃）および或る範囲の圧力（例えば、約１〜１０気圧）で実行されてよい。本明細書に記載された数値範囲は、一般に、低値から高値までのすべての値を含む（例えば、列挙された最低の値と最高の値の間のすべての可能な組み合わせの数値が明示されていると見なされる）。例えば、濃度の範囲または有益な効果の範囲が１％〜５０％であると記載されている場合、２％〜４０％、１０％〜３０％、または、１％〜３％などの値が明示的に列挙されていることを意図する。上記は、具体的に意図されたものの簡単な例でありうる。
【００２３】
特定の電極触媒を用いるよう適合された二酸化炭素の電気化学的または光電気化学的還元を利用すると、０％〜約１００％の高収率で一酸化炭素および／または水素ガスを生成できる。相対的な収率は、カソード材料、触媒、ならびに、ｐＨおよび二酸化炭素流量などの反応条件の様々な面を変化させることによって制御できる。
【００２４】
二酸化炭素から合成ガスを発生させる反応全体は、以下のように表すことができる。
ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋Ｈ2＋Ｏ2
【００２５】
二酸化炭素の還元は、適切には、（ｉ）１つのコンパートメントが不活性の対電極をアノードとして含むと共に（ｉｉ）別のコンパートメントが作用カソード電極と１または複数の置換または非置換複素環芳香族アミンとを含む分割電気化学または光電気化学セルで効率的に達成されうる。コンパートメントは、多孔質のガラスフリットまたはその他のイオン伝導性ブリッジによって隔てられてよい。両方のコンパートメントは、一般に、電解質の水溶液を含む。二酸化炭素ガスは、溶液を飽和させるためにカソード電解質溶液を通して連続的にバブリングされてよい。
【００２６】
作用電極コンパートメントにおいて、二酸化炭素は、溶液を通して連続的にバブリングされてよい。いくつかの実施形態において、作用電極が導電体である場合、作用電極の電位が一定に保たれるように、外部バイアスがセルに印加されてよい。他の実施形態において、作用電極がｐ型半導体である場合、電極は、適切に光を照射されてよい。光のエネルギは、電気分解中、半導体のバンドギャップに一致するか、または、バンドギャップよりも大きくてよい。さらに、外部の電気エネルギ源を利用しなくてもよいし、少しのバイアス（例えば、約５００ミリボルト）を印加してもよい。作用電源の電位は、一般に、飽和カロメル電極（ＳＣＥ）に対して一定に保たれる。二酸化炭素の電気化学的還元のための電気エネルギは、電源が少なくとも１．６ボルトをセルに供給する限りは、原子力および代替エネルギ（例えば、水力、風力、太陽光、地熱など）などの通常のエネルギ源から、もしくは、太陽電池またはその他の非化石燃料による電源から供給されてよい。その他の電圧値は、使用されるセルの内部抵抗に応じて調節されうる。
【００２７】
有利なことに、二酸化炭素は任意の供給源から得られてよい（例えば、化石燃料による火力発電所または工場からの排気、もしくは、地熱または天然ガス井または大気自体から）。二酸化炭素は、大気中に放出される前に高密度で存在する発生源から得られてよい。例えば、高濃度の二酸化炭素源は、しばしば、５％〜５０％の量の天然ガスに伴って生じるか、化石燃料（例えば、石炭、天然ガス、石油など）を用いた火力発電所の燃焼排気中に存在しうるし、セメント工場およびエタノールの工業発酵に用いられる発酵槽からは、ほぼ純粋な二酸化炭素が排出されうる。特定の地熱蒸気も、かなりの量の二酸化炭素を含みうる。地熱井を含め様々な産業からの二酸化炭素排出は、現場で回収可能である。かかる排気からの二酸化炭素の分離法は、周知である。したがって、本発明のいくつかの実施形態に従って大気中に存在する二酸化炭素を捕捉して利用することにより、一般に、二酸化炭素を再生可能な無限の炭素源にすることができる。
【００２８】
電気化学的変換について、二酸化炭素は、導電性電極を用いて水媒体の中で容易に還元されうる。ファラデー効率が高いことが確認されており、約１００％に達する場合もある。カソード材料の混合物が、合成ガスの所望の二酸化炭素／水素比を達成するために用いられてよい。混合物は、合金、および／または、いくつかの近接する材料の集合体を含んでよい。近接する材料は、ストリップパターン、ドットパターン、スペックル（斑点）パターン、および、その他の多面配列（ｍｕｌｔｉ−ｓｕｒｆａｃｅｄ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）を形成してよい。光電気化学的変換について、二酸化炭素は、ｐ−ＧａＰ、ｐ−ＧａＡｓ、ｐ−ＩｎＰ、ｐ−ＩｎＮ、ｐ−ＷＳｅ2、ｐ−ＣｄＴｅ、ｐ−ＧａＩｎＰ2、および、ｐ−Ｓｉなどのｐ型半導体電極を用いて容易に還元されうる。
【００２９】
二酸化炭素の電気化学的／光電気化学的還元は、一般に、水溶液中の１または複数の触媒を利用する。複素環芳香族アミンは、非置換および置換ピリジンおよびイミダゾールを含みうるがこれらに限定されない。置換ピリジンおよびイミダゾールは、一置換および二置換ピリジンおよびイミダゾールを含みうるがこれらに限定されない。例えば、適切な触媒は、２−メチルピリジン、４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジン、２，６−ジメチルピリジン（２，６−ルチジン）などの直鎖または分枝鎖低級アルキル（例えば、Ｃ１〜Ｃ１０）一置換および二置換化合物、４，４’−ビピリジンなどのビピリジン、４−ジメチルアミノピリジンなどのアミノ置換ピリジン、ならびに、ヒドロキシル置換ピリジン（例えば、４−ヒドロキシピリジン）および置換または非置換キノリンまたはイソキノリンを含みうる。触媒は、ピラジン、ピリダジン、および、ピリミジンなど、置換または非置換二窒素複素環アミンも適切に含みうる。その他の触媒は、一般に、アゾール、イミダゾール、インドール、オキサゾール、チアゾール、置換種、ならびに、アデニン、プテリン、プテリジン、ベンズイミダゾール、フェナントロリンなどの多環アミン錯体を含む。
【００３０】
様々な複素環触媒が用いられてよい。触媒のいくつかは、キノリンなどのように、一酸化炭素を選択的に生成しうる。複素環触媒と共に作用するカソード材料は、一般に、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｃｕ合金（真鍮および青銅など）、ならびに、ステンレス鋼を含む。いくつかのカソード材料は、所与の電位およびｐＨで所望の一酸化炭素／水素モル比を実現するために、白金族金属（例えば、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、および、Ｒｕ）など、より選択的に水素を発生させる他のカソード材料と組み合わされてよい。
【００３１】
図１によると、本発明の好ましい実施形態に従って、システム１００のブロック図が示されている。システム（または装置）１００は、一般に、セル（またはコンテナ）１０２、液体源１０４、電源１０６、ガス源１０８、および、抽出器１１２を備える。排出ガスが、抽出器１１２から提供されうる。別の排出ガスが、セル１０２から提供されうる。
【００３２】
セル１０２は、分割セルとして実装されてよい。分割セルは、分割電気化学セルおよび／または分割光化学セルであってよい。セル１０２は、一般に、二酸化炭素（ＣＯ2）を１または複数の生成物に還元するよう動作する。還元は、一般に、セル１０２内の電解質水溶液中に二酸化炭素をバブリングすることによって起きる。セル１０２内のカソードが、二酸化炭素およびプロトンを１または複数の分子（例えば、一酸化炭素および／または水素）ならびに／もしくは有機化合物に還元しうる。
【００３３】
セル１０２は、一般に、２以上のコンパートメント（またはチャンバ）１１４ａ〜１１４ｂと、セパレータ（またはメンブレン）１１６と、アノード１１８と、カソード１２０とを備える。アノード１１８は、所定のコンパートメント（例えば、１１４ａ）内に配置されてよい。カソード１２０は、セパレータ１１６を挟んでアノード１１８の反対側にある別のコンパートメント（例えば、１１４ｂ）内に配置されてよい。水溶液１２２が、両方のコンパートメント１１４ａ〜１１４ｂを満たしてよい。触媒１２４が、カソード１２０を含むコンパートメント１１４ｂに追加されてよい。
【００３４】
液体源１０４は、水源であってよい。液体源１０４は、セル１０２に純水を供給するよう動作してよい。
【００３５】
電源１０６は、可変電圧源であってよい。電源１０６は、アノード１１８およびカソード１２０の間に電位を生み出すよう動作してよい。電位は、ＤＣ電圧であってよい。
【００３６】
ガス源１０８は、二酸化炭素源であってよい。ガス源１０８は、一般に、セル１０２に二酸化炭素を供給するよう動作する。いくつかの実施形態において、二酸化炭素は、カソード１２０を含むコンパートメント１１４ｂ内に直接バブリングされてよい。
【００３７】
抽出器１１２は、酸素抽出器であってよい。抽出器１１２は、一般に、二酸化炭素の還元および／または水の酸化によって生成される酸素（例えば、Ｏ2）副生成物を抽出するよう動作する。抽出された酸素は、他の装置および／またはプロセスによる以後の貯蔵および／または消費のためにシステム１００のポート１２８を通して提供されてよい。二酸化炭素の還元によって生成された合成ガス（例えば、一酸化炭素および水素ガス）が、ポート１３０を通してセル１０２から抽出されてよい。
【００３８】
上述のプロセスにおいて、水は、アノード１１８でプロトンおよび酸素に酸化（または分解）されてよく、二酸化炭素は、カソード１２０で一酸化炭素に還元される。酸化された水由来のプロトンは、カソード１２０で水素ガスに還元されてもよい。セル１０２内の電解液１２２は、水溶性の任意の塩と、触媒１２４と共に、溶媒として水を用いてよい。触媒１２４は、窒素、硫黄、および、酸素を含有する複素環を含みうるがこれらに限定されない。複素環化合物の例は、ピリジン、イミダゾール、ピロール、チアゾール、フラン、チオフェン、ならびに、アミノチアゾールおよびベンズイミダゾールなどの置換複素環を含みうる。カソードの材料は、一般に、任意の導電体を含む。カソード材料は、適切な比の水素ガスおよび一酸化炭素がカソード１２０で生成されるように構成されてよい。一般に、比は、一酸化炭素１モル当たり１モル以上（例えば、３モル）の水素という比であってよい。任意のアノードの材料が用いられてよい。全体のプロセスは、一般に、電源１０６によって駆動される。カソード１２０、電解質１２２、触媒１２４、ｐＨレベル、セル１０２への二酸化炭素の流量、および、電源１０６からの電位、を組み合わせて利用することで、セル１０２の反応生成物を制御することができる。例えば、１００ミリリットル（ｍＬ）のセル１０２への二酸化炭素の流量を毎分５ｍＬ〜毎分１０ｍＬまで増大させると、一般に、一酸化炭素の収率が増大し（例えば、１０％〜２０％の増大）、それに応じて、水素ガスが減少する。
【００３９】
プロセスは、具体的なカソード材料、触媒、電解質、電極の表面形態、ｐＨレベル、電位、二酸化炭素の流量、および／または、カソードに対する二酸化炭素の導入を組み合わせて利用することによって、所望のガスを得られるよう制御される。水素ガス発生に最適化されたカソード材料と併せて、二酸化炭素の一酸化炭素への還元に選択性のある触媒／カソードの組み合わせを用いることにより、効率が最大化されうる。複素環触媒とも二酸化炭素とも相互作用しにくく水素発生過電圧が低い電極材料が利用されてよい。カソード１２０での半セル電位は、使用したカソード材料に応じて、ＳＣＥに対して−０．７ボルト〜−１．５ボルトまでの範囲であってよい。
【００４０】
図２によると、様々なカソードに対する相対的な有機生成物の収率を示す表が図示されている。表は、一般に、０．５ＭのＫＣｌおよび１０ｍＭのピリジンの水溶液を含むセル１０２におけるガス発生を示す。二酸化炭素は、毎分５ｍＬ〜毎分１０ｍＬの範囲の流量でセル１０２内にバブリングされてよい。複素環触媒の存在下で、主に一酸化炭素を発生させるカソード材料（例えば、Ｃ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｓｎ、および、ステンレス鋼）と、主に水素ガスを発生させる材料（例えば、Ｎｉ、Ｖ、および、白金族金属）とを組み合わせると、所望の一酸化炭素／水素比を実現するシステムが構成されうる。電極材料は、バルク形態であってもよいし、グラファイト、カーボンファイバ、または、その他の導電体などの担体上に担持された粒子またはナノ粒子として存在してもよい。反応のさらなる制御が、一般に、ｐＨレベル、セル電位、および、二酸化炭素の流量を変更することによって可能である。図に示すように、一酸化炭素および水素ガスの一方または両方のファラデー収率（ＦＹ）は、いくつかのカソード材料については少なくとも２５％でありうる。
【００４１】
セルの設計およびカソードの処理（例えば、表面形態または表面性状）は、カソードにおける生成物収率および電流密度の両方に影響しうる。例えば、分割セル１０２は、一般に、無傷の（滑らかな）カソード１２０よりも激しく傷のついた（粗い）カソード１２０で高い収率を提供する。無光沢錫は、一般に、光沢錫とは異なる振る舞いをする。分割セル１０２のカソード側（例えば、コンパートメント１１４ｂ）でのみ二酸化炭素のバブリングを維持することも、収率を高めうる。
【００４２】
合成ガスを生成するための本発明のいくつかのプロセス実施形態は、一般に、炭素１モルあたり少量の水（例えば、約１〜３モルの水）を消費する。したがって、プロセスは、既存の生産技術よりも数千倍、水を効率的に使うことができる。
【００４３】
図３によると、複素環芳香族アミン触媒の構造式が示されている。環構造は、少なくとも１つの環窒素を備えた芳香族五員複素環または六員複素環であってよく、任意選択的に、窒素以外の１または複数の環位においてＲで置換される。Ｌは、ＣまたはＮであってよい。Ｒ１は、Ｈであってよい。Ｒ２は、ＬがＮの場合にＨであってよく、ＬがＣの場合にＲである。Ｒは、任意の環炭素上の任意選択的な置換基であり、Ｈ、直鎖または分岐鎖低級アルキル基、ヒドロキシル基、アミノ基、ピリジル基から独立的に選択されてよく、もしくは、２つのＲが、それらに結合する環状炭素と共に、縮合六員アリール環を形成しており、ｎ＝０〜４である。
【００４４】
図４〜図６によると、置換または非置換芳香族五員複素環アミンまたは六員複素環アミンが図示されている。図４によると、Ｒ３はＨであってよい。Ｒ４、Ｒ５、Ｒ７、および、Ｒ８は、一般に、独立して、Ｈ、直鎖または分岐鎖低級アルキル基、ヒドロキシル基、アミノ基であるか、もしくは、共に縮合六員アリール環を形成する。Ｒ６は、Ｈ、直鎖または分岐鎖低級アルキル基、ヒドロキシル基、アミノ基、もしくは、ピリジル基であってよい。
【００４５】
図５によると、Ｌ１、Ｌ２、および、Ｌ３の内の１つはＮであってよく、その他のＬはＣであってよい。Ｒ９はＨであってよい。Ｌ１がＮの場合、Ｒ１０はＨであってよい。Ｌ２がＮの場合、Ｒ１１はＨであってよい。Ｌ３がＮの場合、Ｒ１２はＨであってよい。Ｌ１、Ｌ２、または、Ｌ３がＣの場合、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、および、Ｒ１４は、直鎖または分岐鎖低級アルキル基、ヒドロキシル基、アミノ基、もしくは、ピリジル基から独立的に選択されてよい。
【００４６】
図６によると、Ｒ１５およびＲ１６はＨであってよい。Ｒ１７、Ｒ１８、および、Ｒ１９は、一般に、直鎖または分岐鎖低級アルキル基、ヒドロキシル基、アミノ基、もしくは、ピリジル基から独立的に選択される。
【００４７】
適切には、複素環芳香族アミン触媒の濃度は、約１０ミリモル（ｍＭ）〜１Ｍである。電解質の濃度は、約０．１Ｍ〜１Ｍであってよい。電解質は、適切には、約０．５Ｍの濃度のＫＣｌ、ＮａＮＯ3、Ｎａ2ＳＯ4、ＮａＣｌ、ＮａＦ、ＮａＣｌＯ4、ＫＣｌＯ4、Ｋ2ＳｉＯ3、または、ＣａＣｌ2などの塩であってよい。その他の電解質としては、フランシウム（Ｆｒ）、Ｃａ、アンモニウム陽イオン、アルキルアンモニウム陽イオン、および、アルキルアミンを除くすべての第１族陽イオン（例えば、Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、および、Ｃｓ）が挙げられるが、これらに限定されない。さらなる電解質としては、すべての第１７族陰イオン（例えば、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、および、Ａｔ）、ホウ酸塩、カーボネート、硝酸塩、亜硝酸塩、過塩素酸塩、リン酸塩、ポリリン酸塩、ケイ酸塩、および、硫酸塩が挙げられるが、これらに限定されない。Ｎａは、一般に、最良実施に関してはＫと同じくらい良好に作用するので、ＮａＣｌはＫＣｌと交換可能である。ＮａＦは、ほぼＮａＣｌと同じくらい良好に作用するので、多くの場合、ＮａＣｌまたはＫＣｌと交換可能である。より大きいアニオンは、化学的性質を変える傾向があるため、様々な生成物に有利に働く。例えば、硫酸塩は、ポリマまたはメタノール生成物に有利に働き、Ｃｌは、アセトンなどの生成物に有利に働きうる。溶液のｐＨは、一般に、約ｐＨ４〜８、適切には約４．７〜５．６に維持される。
【００４８】
本発明のいくつかの実施形態は、以下の例によってさらに詳細に説明されうるが、それらの例は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００４９】
実施例１：一般的な電気化学的方法
【００５０】
化学物質および材料：用いられる化学物質はすべて、＞９８％の純度であり、さらなる精製を行うことなしに、販売業者（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ社）から受け取ったまま用いられた。脱イオン水または高純度水（Ｎａｎｏｐｕｒｅ、Ｂａｒｎｓｔｅａｄ社）のいずれかを用いて、電解質水溶液を準備した。
【００５１】
電気化学的システム：電気化学的システムは、アノード１１８およびカソード１２０における反応を分離するために標準的な２コンパートメント電解セル１０２で構成した。コンパートメントは、多孔質のガラスフリットまたはその他のイオン伝導性ブリッジ１１６によって隔てられた。電解質１２２は、０．５Ｍを典型的な濃度として、０．１Ｍ〜１Ｍの範囲の濃度で用いた。約１ｍＭ〜１Ｍの間の濃度の触媒１２４を用いた。各試験で用いた特定の電解質１２２および特定の触媒１２４は、一般に、どの生成物を生成するのかに基づいて選択した。
【００５２】
図７によると、電気化学的な例で用いた方法の一例１４０のフローチャートが示されている。方法（またはプロセス）１４０は、一般に、工程（またはブロック）１４２と、工程（またはブロック）１４４と、工程（またはブロック）１４６と、工程（またはブロック）１４８と、工程（またはブロック）１５０とを備える。方法１４０は、システム１００を用いて実施されてよい。
【００５３】
工程１４２において、電極１１８および１２０は、必要に応じて活性化されてよい。セル１０２内への二酸化炭素のバブリングが、工程１４４で行われてよい。様々な生成物への二酸化炭素の電気分解が、工程１４６中に起きうる。工程１４８において、生成物は、電解液から分離されてよい。還元生成物の分析が、工程１５０で行われてよい。
【００５４】
作用電極は、既知の面積のものであった。電位はすべて、飽和カロメル参照電極（Ａｃｃｕｍｅｔ社）に対して測定された。すべての電気分解の前および間に、電解液を通して二酸化炭素（Ａｉｒｇａｓ社）を連続的にバブリングして、溶液を飽和させた。結果として得られる溶液のｐＨは、どの生成物を生成するのかに応じて、適切な範囲内で約ｐＨ４〜ｐＨ８に維持された。例えば、一定の二酸化炭素のバブリングのもとで、４−ヒドロキシピリジン、ピリジン、および、４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジンの１０ｍＭ溶液のｐＨレベルは、それぞれ、４．７、５．２８、および、５．５５であった。
【００５５】
実施例２：一般的な光電気化学的方法
【００５６】
化学物質および材料：用いられた化学物質はすべて、分析グレード以上だった。脱イオン水または高純度水（Ｎａｎｏｐｕｒｅ、Ｂａｒｎｓｔｅａｄ社）のいずれかを用いて、電解質水溶液を準備した。
【００５７】
光電気化学的システム：光電気化学的システムは、支持電解質としての０．５ＭのＫＣｌと、１ｍＭ〜１Ｍの触媒（例えば、１０ｍＭのピリジンまたはピリジン誘導体）とを含むＰｙｒｅｘ（登録商標）三つ口フラスコで構成した。光カソードは、使用前に２：１（ｖ／ｖ）の高濃度のＨＮＯ3：ＨＣｌ浴で約１〜２分間エッチングされた単結晶ｐ型半導体であった。抵抗接点が、インジウム／亜鉛（２重量％亜鉛）はんだを用いて、新たにエッチングされた結晶の背面に作られた。接点は、ガラス管で覆われた導電性の銀エポキシ（Ｅｐｏｘｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｈ３１）で外部リード線に接続され、エポキシセメント（Ｌｏｃｔｉｔｅ  ０１５１  Ｈｙｓｏｌ）を用いて絶縁され、半導体の前面だけを溶液に露出させた。電位はすべて、飽和カロメル電極（Ａｃｃｕｍｅｔ社）を基準とした。三電極アセンブリが、還元二酸化炭素生成物の再酸化を最小化するために、炭素ロッド対電極によって完成された。すべての電気分解中に、電解液を通して二酸化炭素ガス（Ａｉｒｇａｓ社）を連続的にバブリングして、溶液を飽和させた。結果として得られた溶液のｐＨは、約ｐＨ４〜８（例えば、ｐＨ５．２）に維持された。
【００５８】
図８によると、光化学的な例で用いた方法の一例１６０のフローチャートが示されている。方法（またはプロセス）１６０は、一般に、工程（またはブロック）１６２と、工程（またはブロック）１６４と、工程（またはブロック）１６６と、工程（またはブロック）１６８と、工程（またはブロック）１７０とを備える。方法１６０は、システム１００を用いて実施されてよい。
【００５９】
工程１６２において、光電極が活性化されてよい。セル１０２内への二酸化炭素のバブリングが、工程１６４で行われてよい。様々な生成物への二酸化炭素の電気分解が、工程１６６中に起きうる。工程１６８において、生成物は、電解液から分離されてよい。還元生成物の分析が、工程１７０で行われてよい。
【００６０】
光源：４つの異なる光源が、ｐ型半導体電極への照射に用いられた。最初の電解実験では、Ｈｇ−Ｘｅアークランプ（ＵＳＨＩＯ  ＵＸＭ  ２００Ｈ）をランプハウジング（ＰＴＩ  Ｍｏｄｅｌ  Ａ−１０１０）に入れて利用し、ＰＴＩ  ＬＴＳ−２００電源で電力供給した。同様に、Ｘｅアークランプ（ＵＳＨＩＯ  ＵＸＬ  １５１Ｈ）を同じハウジング内で利用し、様々な特定波長で電極を照射するためにＰＴＩモノクロメータと併用した。
【００６１】
光ファイバ分光計（Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｓ２０００）またはシリコン光検出器（Ｎｅｗｐｏｒｔ社８１８−ＳＬシリコン検出器）が、モノクロメータを通して放射された相対的な結果としての出力を測定するために用いられた。フラットバンド電位は、２００ワット（Ｗ）のＨｇ−Ｘｅランプ（３Ｗ／ｃｍ2〜２３Ｗ／ｃｍ2）を用いて様々な照射強度時に開回路光電圧を測定することによって得られた。光電圧は、約６Ｗ／ｃｍ2を超える強度で飽和することが観察された。
【００６２】
量子収率決定のために、２つの異なる発光ダイオード（ＬＥＤ）による照射下で、電気分解を実行した。４６５ナノメートル（ｎｍ）で５００ミリワット（ｍＷ）±５０ｍＷの発光出力と２０ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）とを有する青色ＬＥＤ（Ｌｕｘｅｏｎ  Ｖ  Ｄｅｎｔａｌ  Ｂｌｕｅ，Ｆｕｔｕｒｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社）が、Ｘｉｔａｎｉｕｍ  Ｄｒｉｖｅｒ（Ａｄｖａｎｃｅ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ社）を用いて７００ｍＡの最大定格電流で駆動された。Ｆｒａｅｎコリメートレンズ（Ｆｕｔｕｒｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社）が、出力光を方向付けるために用いられた。光電気化学的セルのウィンドウに達した結果としての出力密度は、Ｓｃｉｅｎｔｅｃｈ３６４サーモパイルパワーメータおよびシリコン光検出器を用いて測定され、４２ｍＷ／ｃｍ2であると決定された。測定された出力密度は、光電気化学的セルの壁と電極との間の溶液層を通る際の光度の損失のために半導体面で観察された実際の出力密度よりも大きいと想定された。
【００６３】
実施例３：電気分解の生成物の分析：
【００６４】
電気化学的実験は、一般に、バルク電解実験を実行するために、ＣＨ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のポテンショスタット、または、電流ロガーを備えたＤＣ電源を用いて実行された。ＣＨ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のポテンショスタットは、一般に、サイクリックボルタンメトリに用いられた。電気分解は、各実行について比較的同量の電荷が通過するまで、約６時間〜３０時間、定電位条件下で実行された。
【００６５】
ガス生成物のガスクロマトグラフィおよび検出。電解中に発生したガス生成物は、Ｑｕｅｓｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社のＣＯ検出器とＱＭＳ３００四重極質量分析計とを用いて分析された。水相に溶解した生成物に対して、最初に、支持電解質塩の除去が、Ａｍｂｅｒｌｉｔｅ  ＩＲＮ−１５０イオン交換樹脂で実行された（イオン交換樹脂は、Ｔｒｉｔｏｎ  Ｘ−１００の０．１％（ｖ／ｖ）水溶液中で撹拌することによって有機物が残らないように使用の前に洗浄し、還元（Ａｌｄｒｉｃｈ社）し、ろ過して大量の水でリンスし、樹脂の最大温度（約６０℃）未満で真空乾燥して、その後に、ＤＢ−Ｗａｘカラム（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社、６０ｍ、１マイクロメートル（μｍ）膜厚）を収容したＧＣにサンプルを直接注入した）。１ミリリットル（ｍＬ）のサンプルから塩を除去するために、約１グラムの樹脂を用いた。注入器の温度は２００℃に保たれ、オーブンの温度は１２０℃、検出器の温度は２００℃に維持された。
【００６６】
二酸化炭素は、（代替エネルギ源から発電されうる）最小限の電力を用いて、または、可視光を直接的に用いて、付加価値のあるガスに効率的に変換されうる。上述のいくつかのプロセスは、化石ベースでない高エネルギ密度燃料、ならびに、化石ベースでも生物ベースでもない化学原料を生成しうる。さらに、プロセスのための触媒は、置換基感受性で、付加価値のあるガスの選択性を提供しうる。
【００６７】
例として、ガス混合物を変化させるために電解質および／または触媒が変更される電気化学的システムでは、固定カソードが用いられてよい。モジュール式電気化学的システムにおいて、カソードは、ガス混合物を変化させるために、異なる材料に交換されてもよい。光電気化学的システムにおいて、アノードおよび／またはカソードは、ガス混合物を変化させるために、異なる光起電材料を用いてもよい。
【００６８】
本発明のいくつかの実施形態は、一般に、二酸化炭素および水を原料として用いて一酸化炭素および水素ガスを同時に発生させるための新たなカソードの組み合わせを提供する。二酸化炭素の一酸化炭素への変換を最適化しつつ水素ガス発生も最適化するような、カソード材料、電解質、触媒、ｐＨレベル、および／または、電位の具体的な組み合わせが確立されうる。人工的な官能基を備えた特定の構成の複素環アミン触媒の選択が、システム１００で利用されてよい。上述のプロセス条件は、電極およびセルの長寿命（例えば、安定性の向上）のサイクル、ならびに、生成物の回収を容易としうる。
【００６９】
電解質の選択、セル電圧、二酸化炭素のバブリング方法など、ここまでに開示した様々なプロセス条件は、一般に、副生成物をほとんどまたは全く生じることなしに合成ガス内の正確なモル比を維持できるように、反応の制御を改善する。反応の制御を改善すれば、一般に、モジュール式で、様々なガスを作り出すよう適合できる商業用システムの可能性が開かれる。新たな材料およびプロセス条件の組み合わせは、一般に、高いファラデー効率および比較的低いセル電位を有し、それにより、エネルギ効率のよいセルの構築が可能になる。
【００７０】
本発明の好ましい実施形態を参照しつつ、本発明について具体的に図示および説明したが、当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細事項に様々な変更を加えられることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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