【NAT CHEM ENG】约翰斯霍普金斯大学刘亚媛教授团队/中科大本科校友一作：电化学二氧化碳捕获新进展

导语

利用氧化还原活性分子作为吸附剂对二氧化碳（CO₂）进行可逆电化学捕获是一种具有前景的缓解温室气体排放的策略。然而，该体系目前主要使用传统的液流电池（flow cell）作为电化学反应器件。在液流电池中，尤其是有机液流电池体系中，阴阳极电解液活性分子的跨膜扩散难以避免，这种扩散会降低反应器件的循环寿命和吸附剂的吸收效率。此外，商用离子交换膜还有价格高昂的缺点，这进一步限制了电化学CO₂捕获的应用前景。

针对离子交换膜带来的问题，2026年9月8日，美国约翰斯霍普金斯大学（Johns Hopkins University）化学与生物分子工程学系刘亚媛教授团队在Nature Chemical Engineering 期刊发表题为“Electrochemically mediated carbon capture using a membraneless architecture”的研究论文。团队成员2022级博士研究生刘安东为论文第一作者，刘亚媛教授为论文通讯作者。

本工作的核心在于将液流电池的对电极电解液更换为固态插层材料。不同于传统液流电池依赖于离子交换膜分隔阴阳极电解液，固态插层材料和液态吸附剂溶液之间的固液界面天然分隔了两电极的氧化还原反应，由此便可以从反应器件中完全去除离子交换膜（图1a）。

图1. 用于电化学CO₂捕获的无膜反应器（图片来源：NAT CHEM ENG）

前沿科研成果

作者首先使用商用的磷酸铁锂（LFP）作为固态对电极材料，搭配偶氮吡啶（AzPy）作为氧化还原活性吸附剂进行了无膜电化学装置的验证性实验。相比于使用二茂铁（Fc）作为对电极的液流电池，捕获效率和循环性能都有比较明显的提升，体现了无膜系统的优势（图2 a,b）。此外，作者们还发现用Li⁺作为插层离子会限制CO₂捕获效率，因此后续更换为了Na⁺作为插层离子。

图2. 无膜 EMCC 系统的验证性试验（图片来源：NAT CHEM ENG）

使用Na⁺作为插层离子意味着固态对电极材料无法继续使用商用化的LFP。取而代之的，作者利用钠离子电池近些年取得的进展，制备了系列以Na⁺为插层离子的固态对电极材料，分别为NaFePO₄，NaCrO₂和Na₃(VPO₄)₂F₃（图三a–f）。此处作者又发现了另一个问题，这三种材料的平衡电位都比AzPy–CO₂加合物的氧化电位更正。而吸附剂溶液又会直接和固态对电极材料直接接触。这就意味着捕获完成后产生的AzPy–CO₂将会在对电极表面发生自放电反应，造成电荷的浪费（图三g,h）。

图3.钠插层材料的性质（图片来源：NAT CHEM ENG）

作者们进一步探究了该自放电反应的决速步，这部分是工作中相当具有基础科学价值的部分。首先，利用反应进程中AzPy会发生颜色变化的原理（图4 a），使用紫外-可见光谱便可测量自放电的速率。与传统观点，即热力学驱动力决定自放电反应速率的观点不同的是，作者们发现，AzPy–CO₂在平衡电势最正的Na₃(VPO₄)₂F₃表面自放电速率反而比平衡电势中等的NaCrO₂更慢。进一步对于电化学活性面积（ECSA）和离子扩散速率的测量揭示了自放电的主要决定因素并非是AzPy–CO₂和对电极材料的电势差，而是对电极材料中的离子扩散速率。说明在固-液界面的反应中，动力学条件（例如离子插层和扩散的速率）可能会比热力学条件更有决定性（图4 b–d）。以上观点不仅仅适用于本工作，对于相关领域，如固-液耦合液流电池等，也有潜在的指导作用。基于这部分机理研究的收获，作者决定使用NaFePO₄作为性能测试中使用的对电极材料，因为该材料具有最慢的离子扩散速率，也因此具有最低的自放电速率。

图4. 自放电的动力学分析（图片来源：NAT CHEM ENG）

作者们使用10% CO₂进行了长循环测试。在超过75圈和350小时的循环测试中，电化学期间达到了平均89.8%的捕获效率和78.5%的库伦效率。进一步的，作者分别进行了四项模拟实际应用场景下的CO₂捕获测试，分别为高倍率测试，模拟直接空气捕获测试，含氧条件测试和高浓度富集测试（图5）。在这些测试场景中，无膜CO₂捕获体系均表现出较好的循环性能和捕获效率。

图5. 在实际应用相关条件下的性能（图片来源：NAT CHEM ENG）

最后，作者进一步拔高了本工作的应用价值。经济学分析显示，去除离子交换膜能够将反应器件的成本降低28.9%。此外，未来上游产业的进一步优化，例如更高的电流密度、更低的电解池成本和电价，有望将CO₂捕获成本降低到$58.2每吨（图6）。

图6：评估并提升无膜电化学CO₂捕获系统的经济效率（图片来源：NAT CHEM ENG）

总结来说，本研究为指导规模化电化学CO₂捕获技术的开发，既提供了一种稳健的反应器设计，也奠定了机理基础。关于离子耦合界面电荷转移的机理也能广泛适用于水相和非水相体系中的各类氧化还原活性吸附剂。

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