第一作者：朱鹏，吴振禹
通讯作者：汪淏田
通讯单位：莱斯大学
以可再生电力为能源输入的电化学碳捕获技术在碳管理方面很有前景，但仍存在捕获率低、氧敏感性低或系统复杂性的问题。本文作者通过将氧/水（O2/H2O）氧化还原 与 模块化固体电解质反应器 耦合，展示了一种连续的电化学碳捕获设计。通过进行氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）氧化还原电解，作者设计的设备可以在高碱性阴极-膜界面有效吸收稀释的二氧化碳（CO2）分子，形成碳酸盐离子，然后通过来自阳极的质子进行中和，从而可以从中间固体电解质层连续输出高纯度（>99%）的CO2。在整个碳吸收/释放过程中，不需要化学输入，也不产生副产品，可以实现高碳捕获率。文章以“Continuous carbon capture in an electrochemical solid electrolyte reactor”为标题，2023年6月28日发表在Nature期刊上。值得注意的是，本文的通讯作者汪淏田教授出生于1990年，是一位妥妥的90后，中科大物理系本科毕业，斯坦福博士毕业，现任教于美国莱斯大学，独立PI之后，以通讯作者身份已经发表了16篇Nature/Science正刊及其子刊，而今又发表Nature正刊。
1 从工业废气等稀释来源捕获CO2在全球CO2排放和促进下游CO2储存的管理中发挥着越来越重要的作用，使用现有的碳捕获技术（如胺洗涤和Ca(OH)2/CaCO3/CaO+CO2循环过程）过于依赖能量密集和集中的热循环过程，利用高温（CaCO3在高达900°C 的情况下分解）释放所吸收的CO2。
2 使用高孔隙率和表面积的固体吸收剂等其他碳捕获方法，如金属-有机框架，显示出有潜力的捕获能力，但是循环稳定性较差，尤其是当暴露在潮湿环境中。
3 尽管电化学碳捕获方法由于其高能效、分散操作、环境温度反应条件和使用可再生电力的能力而作为有吸引力的替代品备受关注，但在广泛实施之前，仍面临着许多重大挑战。通常，电化学碳捕获依赖于氧化还原活性载体或pH摆动来吸收和释放CO2。氧化还原活性载体，如醌，由于其在还原和氧化状态下结合和释放CO2分子的简单反应动力学，具有高能量效率。然而，它们的实际应用仍然受到低捕获率（通常＜10 毫安 cm−2），以及对O2气体的敏感性；另一方面，据报道，使用盐或水电解来分离碱性和酸性溶液的pH波动方法对O2不敏感，可以输送更大的电流（约100 毫安 厘米−2）。然而，电解过程与CO2吸收过程的解耦需要能源密集型的下游气液接触过程，尤其是在低CO2浓度下。此外，在不同pH变化设计中产生的副产物，如H2（来自水分解）或Cl2（来自NaCl电解），增加了分散碳捕获的复杂性和挑战。
4 作者开发了一种新的碳捕获技术方案，通过耦合O2与作者开发的多孔固体电解质（PSE）反应器进行H2O电解，实现可以匹敌工业相关的捕获速率、高能效、无O2敏感性，可以从各种CO2源中进行连续和模块化地捕获CO2，如图1a所示。
图1. 固体电解质反应器设计用于不同CO2来源的碳捕获固体电解质反应器包括ORR阴极和OER阳极，它们由紧凑但多孔的固体电解质层分隔，可以允许有效的离子传导。通过进行这种OER/ORR氧化还原电解，系统不会消耗或产生任何化学物质，因为从阳极产生的O2可以再循环回阴极以达到化学计量平衡。为了避免溢流，在电极和PSE层之间插入阴离子交换膜（AEM）和阳离子交换膜（CEM）。当O2分子被阴极上的活性ORR催化剂（如商业Pt/C）还原时，大量的氢氧根离子（OH−)在催化剂-膜界面产生，反应迅速与流中的CO2分子形成碳酸盐或碳酸氢盐离子（图1b）。这些碳酸盐离子，在电场的驱动下穿过AEM迁移到PSE层中。与此同时阳极侧被氧化以产生与消耗并释放质子（H+），质子穿过CEM进入中间层以补偿电荷。这些交叉碳酸盐质子离子重新结合形成CO2气体通过循环水流过PSE层（图1c）。与已报道的电化学碳捕获方法相比，作者设计的固体电解质碳捕获装置具有几个优点。
首先，与一些可能被共存的O2气体毒害的氧化还原活性载体不同，所提出的系统通过ORR充分利用O2，为有效捕获CO2创造了一个强界面碱性环境。
第二，没有特定的化学输入（水除外）或捕获过程中的消耗，因为设备执行ORR/OER氧化还原电解。
第三，固体电解质反应器的阴极允许CO2在气相中向催化剂-膜界面快速扩散，使反应器能够在大电流密度下运行，以快速捕获CO2，同时仍保持高法拉第效率。
这不同于传统的pH摆动方法，液相扩散限制了CO2的吸附速率（通过气体-液体接触）。
为了验证所提出的CO2捕获机制，作者使用了商业Pt/C和IrO2分别作为ORR和OER的电催化剂。使用不同的CO2:O2比率来建立系统固有CO2分离性能的基本基础。如图2a所示，不同CO2浓度下的ORR/OER I–V曲线相似，表明决定反应器活性的是O2浓度而不是CO2浓度。起始电位（低于0.5 毫安 cm−2）约为0.8 V、 包括OER和ORR过电位（约200–300 mV）、电解过程中的欧姆降和pH过电位。在高电流密度下，O2质量扩散开始影响ORR活性，I–V曲线为4.6% CO2由于其较高的O2分压而显示出比8.6%或13.9%时的更好的电池电压。
图2. 碳捕获的概念验证和性能评估，使用标准Pt/C和IrO2催化剂的固体电解质反应器
作者通过调节不同的反应器参数，不断提高CO2捕集性能。合成多孔碳载Co单原子催化剂，可以在低浓度CO2情况下，比商业Pt/C催化剂表现出更高的捕集效率，对NOx、SOx、CO等有毒气体也拥有更好的耐受性和稳定性（图3）。作者进一步通过合成不同的单原子催化剂调节四电子ORR和二电子ORR反应路径，来调控反应的电子效率和CO2捕获效率（图4）。
考虑到可与质子进行的各种电化学氧化还原反应——电子耦合过程（HER/HOR、醌氧化还原偶、流动电池氧化还原对等），作者设计的固体电解质反应器组建立了一个可实施的多功能碳捕获平台。
值得注意的是，电化学氧化还原对，如HER/HOR，表现出更好反应动力学，OER/ORR更低的过电位，可以显著降低电池操作电压并提高碳捕获效率。
各种电池和操作参数，例如固体电解质层、操作温度和压力、氧化还原催化剂的改进和反应途径的调整，都可以进一步优化为未来的研究方向，以提高碳捕获率，以及实际部署的能源效率和成本。
