Science子刊 ：微液滴强电场稳定水合电子，CO₂还原制甲醇！

二氧化碳（CO₂）的光化学转化为烃类燃料（如甲醇、甲酸）是一种有望满足全球能源需求并缓解气候变化的策略，但其实际应用受限于低效率和不佳的选择性。水合电子（eₐq⁻）因其极高的还原电位（–2.9 V）被视为极具潜力的CO₂还原剂，然而其在传统体相系统中的短寿命严重限制了其选择性和高能量密度产物的形成。

近年来，微滴因其独特的氣-液界面和强电场特性（高达10⁹ V m⁻¹）而受到关注，这些特性能够显著加速反应并产生体相中无法合成的产物。尽管已有研究探讨微滴中电子捐赠导致的CO₂氢化，但其产率通常较低，且关于如何定向调控产物选择性的研究仍较为缺乏。

此外，工业废气中的亚硫酸盐（SO₃²⁻）可作为eₐq⁻的高效来源，但其在微滴界面中的作用机制尚不明确。因此，研究旨在通过结合机器学习、微滴生成技术和光谱分析，系统探究微滴界面电场对eₐq⁻寿命及CO₂还原路径的影响，以实现高效、高选择性的CO₂转化。

图1 光化学微滴电场系统（PMEF）中水合电子驱动无机碳还原的性能表征

复旦大学张立武教授团队提出了一种基于微滴界面强电场（~10⁹ V m⁻¹）的高效CO₂还原策略，利用工业废料衍生的亚硫酸盐（SO₃²⁻）产生水合电子（eₐq⁻），显著提升了CO₂还原反应的效率与产物选择性。通过集成机器学习方法，研究团队系统分析了微滴尺寸、光强度、碳源浓度等参数的影响，发现微滴尺寸是控制界面电场强度和产物选择性的关键因素。

在实验室规模的放大系统中，直径小于10微米的微滴使得CO₂还原性能较体相系统提升了四至七个数量级，并实现了近99%的甲醇选择性。强电场不仅延长了eₐq⁻的寿命，还通过稳定关键中间体和调节碳-氧键长，引导反应路径向高价值产物（如甲醇）发展。该研究为利用微滴技术实现可持续CO₂资源化提供了创新途径，并在绿色能源和工业催化领域展现出广阔应用前景。

图2 PMEF系统中反应变量对甲酸和甲醇产率及选择性的影响

该研究表明，微滴界面强电场能够显著提升水合电子（eₐq⁻）介导的CO₂还原效率与选择性，为实现高效碳中和技术提供了新思路。通过机器学习辅助分析，确认微滴尺寸是调控界面电场强度和产物分布的主导因素，小尺寸微滴（如<10 μm）可大幅提升甲醇产率与选择性（最高达99%）。强电场不仅延长了eₐq⁻的寿命，还通过降低关键步骤（如CO₂活化与质子耦合电子转移）的自由能垒，促进多电子还原路径向高能量密度产物发展。

此外，利用工业废料中的亚硫酸盐作为eₐq⁻源，进一步增强了该技术的经济性与可持续性。尽管当前放大系统在微滴驻留时间和光穿透性方面存在限制，但通过优化反应器设计，未来有望实现工业化应用。总体而言，该研究不仅深化了对微滴界面化学的理解，也为开发模块化、高效率的CO₂转化系统奠定了理论基础，对应对能源危机与气候变化具有重要意义。

Qiuyue Ge et al. ,Substantially improved efficiency and selectivity of carbon dioxide reduction by superior hydrated electron in microdroplet. Sci. Adv.11, eadx5714(2025). DOI:10.1126/sciadv.adx5714

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