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ICM综述 | 纽约州大Chris Li &港中文王莹教授团队：电化学低浓度CO₂捕集与转化: 从催化剂设计到电解槽工程

已有 309 次阅读 2026-9-16 17:58 |个人分类:ICM文章|系统分类:论文交流

ICM—以应用为导向的高水平创新研究

文章导读

随着“双碳”目标的持续推进，电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）可利用可再生电力将CO₂转化为高附加值燃料和化学品，被认为是实现碳资源循环利用的重要途径。然而，目前大多数CO₂RR研究依赖高纯度CO₂原料，而实际碳源，如工业烟气和空气，不仅CO₂浓度较低，还含有O₂、SO_x、NO_x等多种杂质。低浓度CO₂会限制反应物传质，并促进析氢反应（HER）；同时，进料中的复杂杂质还可能通过竞争吸附或毒化活性位点，导致催化剂失活。这些问题严重制约了CO₂RR体系的活性、选择性和长期稳定性。因此，如何在接近真实碳源的稀释CO₂进料条件下，实现高效、稳定且可规模化的电化学转化，已成为推动CO₂RR技术走向实际应用亟待解决的关键科学与工程问题。

近日，香港中文大学王莹教授团队与纽约州立大学Yuguang C. Li教授团队合作系统总结了低浓度CO₂电化学捕集与转化技术的研究进展，重点围绕捕集—转化耦合和低浓度CO₂直接电解两条技术路线展开讨论。在捕集—转化耦合方面，文章首先介绍了低浓度CO₂的来源、特性及电化学捕集原理，随后详细阐述了单池和双池体系中CO₂捕集、释放与原位转化的工作机制。在直接电解方面，文章重点分析了通过催化剂设计实现低浓度CO₂直接转化的最新进展，包括局部CO₂富集和杂质耐受性调控。此外，文章还讨论了气体扩散层、流场结构、电解槽操作条件对CO₂传质以及产物选择性的影响。最后，文章展望了该技术的未来发展方向，针对催化剂功能设计、杂质耐受性、失活机制及电解槽放大等关键挑战提出见解，以期推动低浓度CO₂电化学捕集与转化技术的实际应用。

图文摘要：电化学低浓度CO₂捕集和转化进展

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：Electrochemical low-concentration CO₂ capture and conversion: from catalyst design to electrolyzer engineering。欢迎扫描下方二维码或者点击下方链接免费阅读、下载！

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https://doi.org/10.1039/d6im00201c

本文亮点

★ 系统介绍了低浓度CO₂的主要来源、电化学捕集原理及捕集—转化耦合技术的研究进展；

★ 归纳总结了低浓度CO₂直接电解中的局部CO₂富集以及杂质耐受催化剂设计策略；

★ 从电解槽工程角度, 系统讨论了气体扩散层设计、流场优化及操作条件调控等对CO₂传质以及产物选择性的影响；

★ 展望了低浓度CO₂电化学捕集与转化领域面临的关键挑战，并提出了多功能催化剂开发、多杂质共存条件下催化剂失活机制解析，以及电解槽放大与系统集成优化等未来研究方向。

图文解读

1. 电化学CO₂捕集的原理

电化学CO₂捕集是利用外加电势调控捕集介质的氧化还原状态或溶液酸碱度，从而实现CO₂的可逆吸收与释放。根据作用机制，主要可分为氧化还原介导捕集和pH摆动捕集两类：前者通过改变有机分子或无机材料的电子状态，调节其与CO₂的结合能力；后者则通过电化学生成H⁺或OH^-，驱动CO₂在气态、溶解态及HCO₃^-/CO₃^2-之间转化，其中双极膜还可在膜界面原位产生酸、碱流，实现CO₂的捕集与再生。

图1. 氧化还原介导电化学捕集

图2. pH-swing电化学捕集

2. 低浓度CO₂的捕集-转化耦合

电化学CO₂捕集—转化耦合技术将CO₂捕集、释放与电化学还原过程集成，可有效简化传统“捕集—纯化—压缩—运输—转化”的多步骤流程，降低CO₂压缩运输过程带来的额外能耗与成本，为低浓度CO₂的高效资源化利用提供了新的技术路径。根据反应器构型，该技术主要分为单池和双池两类。单池体系在同一电解槽内直接活化并还原捕集态碳物种，使捕集介质同时充当转化介质，从而避免CO₂的中间解吸与纯化过程。根据所采用的介质，单池体系可进一步分为胺溶液、熔融盐和碱性溶液体系。其中，胺体系可直接还原氨基甲酸盐等捕集产物，熔融盐体系可在高温下将碳酸盐转化为CO、固体碳或CH₄，而碱性体系则借助膜和界面调控原位释放CO₂，并在催化界面形成局部高浓度反应环境。双池体系则将电化学捕集与CO₂还原设置在两个串联单元中，首先从低浓度气源或海水中富集并释放高纯度CO₂，随后将其直接输送至成熟的CO₂RR电解装置进行转化。总体而言，单池体系更强调流程强化、捕集态物种活化及界面微环境调控，而双池体系更有利于捕集与转化单元的独立优化和模块化集成，两者为低浓度CO₂的高效转化与规模化应用提供了各具优势的技术方案。

图3. 低浓度CO₂捕集—转化耦合体系

3. 低浓度CO₂直接电解

低浓度 CO₂ 的直接电解可省去独立捕集步骤，具有降低能耗和成本的潜力，但其应用受到传质受限和杂质干扰的双重制约。较低的 CO₂分压会削弱 CO₂RR 动力学并促进 HER，而 O₂、NO_x 和 SO_x 等杂质则可能引发副反应或毒化催化位点。因此，开发能够同时富集CO₂并耐受杂质的催化剂是实现烟气直接电化学转化的关键前提。

3.1局部CO₂富集策略

在低浓度CO₂直接电解中，局部CO₂富集策略主要分为利用多孔催化剂进行物理吸附、通过带有功能基团的催化剂进行化学吸附、调节催化剂层的润湿性，以及将物理/化学吸附与界面润湿性调控相结合的协同设计。物理吸附依赖高比表面积与多级孔道富集CO₂，缓解传质限制；化学吸附则借助胺基、咪唑鎓等功能基团，通过路易斯酸碱作用或离子—偶极相互作用选择性捕获CO₂，从而削弱N₂和O₂等气体的竞争吸附。然而，两类吸附策略均受限于气-液-固三相界面的稳定性：当界面亲水性过强时，过多的液态水覆盖会阻塞气体扩散通道，由于CO₂在水溶液中的溶解度较低，会限制其传质，进而加剧HER并导致活性位点失活。因此，润湿性调控的重点在于精确控制界面处H₂O和CO₂的分布以及离子迁移，以维持高效的CO₂传质并抑制HER。鉴于单一策略难以兼顾反应物供给、界面稳定与HER抑制，近年研究趋向协同设计：多孔结构为CO₂在催化层中的扩散提供连续通道，功能化配体通过特定的化学相互作用增强对CO₂及关键中间体的选择性富集，而疏水基团则通过调节界面水分布和离子迁移，抑制电解液过度渗透，从而维持稳定的气-液-固三相反应界面。共价有机框架（COFs）是实现这种协同调控的典型代表材料。

图4. 物理、化学吸附和界面润湿性的协同设计

3.2 抗烟气杂质毒化策略

除低浓度引起的传质限制外，工业烟气中O₂、SO_x和NO_x等杂质也会影响CO₂RR性能。其中，O₂浓度为3%～4%，由于氧还原反应（ORR）在热力学上更具优势，O₂容易与CO₂争夺活性位点和电子，从而降低CO₂RR的活性与选择性。因此，如何在保持CO₂RR活性的同时抑制O₂活化，是直接烟气电解面临的关键问题。针对这一挑战，研究者通过调控ORR关键中间体*OOH的形成能垒，在动力学层面选择性抑制ORR。

图5. O₂耐受催化剂的设计

SO_x和NO_x是工业烟气中常见的杂质，两者对CO₂RR的影响机制存在显著差异。SO_x不仅因热力学优势优先消耗电子，其还原生成的低价硫物种还易与金属活性位点结合形成稳定硫化物，导致催化剂不可逆中毒及选择性下降。对此，可通过构建聚合物/催化剂/离聚物异质界面，利用全氟磺酸聚合物的亲水/疏水微区分别限制SO₂传输并促进CO₂扩散；或采用对含硫中间体吸附较弱的氮掺杂碳材料替代传统金属催化剂，以维持高CO选择性与耐硫性。相比之下，NO_x对CO₂RR的影响主要源于竞争反应。尽管NO_x会优先消耗电子并降低CO₂RR效率，但其造成的性能衰减通常是可逆的，切换回纯CO₂进料后催化活性和产物选择性可迅速恢复。因此，与易引发不可逆毒化的SO_x相比，NO_x对催化剂稳定性和产物选择性的长期影响相对有限。

图6. SO_x耐受催化剂的设计

4. CO₂电解槽设计

当面向商业化应用时，仅依靠催化剂优化仍难以充分提升的整体性能与经济性，还需要从电解槽工程层面协同改善反应物传输、界面稳定性及杂质耐受能力。因此，气体扩散层（GDL）、流场结构和操作条件的优化，是推动低浓度CO₂电解走向工业化的重要环节。

4.1 气体扩散层设计

在低浓度CO₂进料条件下，较低的 CO₂分压会削弱GDL内的浓度梯度，限制CO₂向催化层传输，造成活性位点附近反应物供应不足，进而降低CO₂RR选择性并促进 HER。同时，烟气中的O₂、SO_x和NO_x等杂质也可能穿过GDL到达催化层，引发竞争反应或导致催化剂中毒。因此，用于直接烟气电解的GDL不仅需要提高CO₂的传输和局部富集能力，还应限制杂质气体向催化层渗透。针对上述问题，GDL 的优化主要集中在孔结构、润湿性和选择性气体传输三个方面。合理的多级孔结构可提供连续的气相传输通道，并增强CO₂在界面附近的富集；疏水网络则能够抑制电解液过度侵入，维持气体通道畅通，从而改善CO₂ 传质并抑制HER。对于O₂等杂质，传统导电碳基GDL可能同时促进氧还原反应，而非导电聚合物GDL可将气体传输功能与电化学活性解耦，从而减少竞争反应。此外，在GDL中引入对CO₂具有亲和力的功能层，例如含离子液体的聚合物层，可增强CO₂的选择性吸附与传输，同时限制O₂和N₂的渗透。

图7. GDL设计

4.2 流场设计

目前，CO₂电解槽中常见的流场结构主要包括蛇形、平行、叉指和点阵流场。蛇形流场具有较大的压降，可强化反应物传质并促进水排出；平行流场压降较低，但容易出现流量分配不均，进而导致局部CO₂供给不足；叉指流场则可利用相邻流道间的压差，推动气体穿透气体扩散电极，从而增强CO₂向催化层的输运。合理优化流场结构，能够缓解局部CO₂供应不足，降低阴极过电位，进而提升产物选择性和电流密度。在工业规模放大过程中，流场对电解槽性能的影响更为显著。分段式流场、三维打印流场和仿生流道等新型设计，可改善反应器内部的流量与电流分布，强化对流传质，并提高目标产物的生成速率。与此同时，针对液态水累积和盐析等问题，仿生结构与疏水涂层也展现出良好的排水和稳定性提升效果。

图8. 流场设计

4.3 操作条件

对于CO₂RR， CO₂分压、气体流速与湿度、操作温度和压力、电流密度以及电解液组成，都会显著影响反应速率和产物选择性。其中，阴极相对湿度是维持高选择性的关键因素，适度增湿有助于保持离聚物中的离子传导通道，改善催化层内的电荷传递和CO₂传输，而随着进料浓度进一步降低，体系往往需要更高湿度才能维持高选择性。提高压力和温度则可协同增加催化剂表面的局部CO₂供给，并加快反应动力学，使电解槽在稀CO₂进料下仍保持较高的FE和较低的槽压。不过，当烟气中含有O₂杂质时，仅靠加压难以避免ORR对CO₂还原的竞争，还需通过离聚物涂层等方式限制O₂传输。此外，温度和压力不仅影响反应速率，还可能改变铜基催化剂上的C—C偶联路径。相比之下，碱性电解液虽有利于提高CO生成和CO FE，但进料中CO₂浓度的影响通常更为显著。总体而言，低浓度CO₂电解并非依赖单一参数优化，而是需要对湿度、压力、温度和电解液进行协同调控。

图9. 操作条件优化

总结与展望

总体而言，低浓度CO₂电化学捕集与转化主要包括捕集—转化耦合和稀CO₂直接电解两条技术路径，二者均旨在减少传统CO₂提纯、压缩和运输过程中的能耗与成本。捕集—转化耦合通过整合CO₂捕集、释放与转化过程，利用单池或双池体系实现捕集态碳物种的原位转化或串联电解。其中，单池体系更强调流程集成与界面调控，双池体系则有利于捕集和转化单元的独立优化。稀CO₂直接电解可直接处理稀释且含杂质的真实气源，主要受局部CO₂供给不足和杂质干扰限制，低分压会加剧传质阻力并促进析氢，杂质则可能引发副反应和催化剂失活。为此，研究重点已由单纯提升催化剂本征活性，转向强化局部CO₂富集与活化、调控气—液—固三相微环境以及提高抗杂质能力。同时，通过优化气体扩散层、选择性传输层、流场结构和操作条件，可进一步改善气体传输和系统稳定性。然而，尽管近年来该领域已取得显著进展，在相关技术实现实际应用之前，仍有若干关键问题亟待解决。未来研究可重点围绕四个方向展开：

第一，推进催化剂微环境的协同设计。将多级孔道、CO₂亲和基团和润湿性调控相结合，同时改善气体扩散、界面富集和三相界面稳定性。共价有机框架和功能化多孔聚合物等材料，凭借可调孔结构与丰富的功能位点，有望成为重要的设计平台。

第二，揭示多杂质共存下的失活机制。研究应由单一杂质体系转向真实烟气环境，结合原位光谱技术解析竞争吸附、活性位重构及反应中间体演变，并建立统一的真实烟气耐受性评价标准。

第三，发展局部CO₂浓度的原位检测技术。利用高时空分辨率的拉曼、荧光及新型探针技术，实现催化界面局部CO₂浓度的实时监测，进一步揭示局部CO₂浓度、传质行为与产物选择性之间的内在关联。

第四，攻克MEA规模化过程中的传质均匀性难题。结合多物理场模拟与高分辨率原位表征技术，系统阐明放大过程中气体传输、电流密度及液态水分布的空间不均匀性演化机制，进而通过流场结构优化、梯度气体扩散层设计及动态运行策略调控，显著提升大面积电解槽内部传质与反应的均匀性，为系统高效稳定运行奠定基础。

撰稿：原文作者

排版：ICM编辑部

文章信息

B. Huang, R. Zhang, Q. Lu, W. Wu, Z. Chen, P. Gogoi, Y. C. Li and Y. Wang, Electrochemical low-concentration CO2 capture and conversion: from catalyst design to electrolyzer engineering, Ind. Chem. Mater., 2026, DOI: 10.1039/d6im00201c.

作者简介

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通讯作者

王莹，香港中文大学化学系副教授。她在牛津大学获得电化学博士学位，师从Richard G. Compton教授，随后在加拿大和美国从事电催化领域的博士后研究，并于2019年加入香港中文大学。她的研究团队主要致力于电催化和等离子体催化在碳转化中的应用，探索可持续的碳利用与能源转化路径。

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通讯作者

Chris Li，纽约州立大学布法罗分校助理教授。他本科毕业于加州大学戴维斯分校，并曾在化工行业担任研发工程师。2013年至2018年，他在宾夕法尼亚州立大学攻读化学博士学位，师从 Tom Mallouk 教授。2018年至2020年，他在多伦多大学 Ted Sargent 教授课题组从事博士后研究。目前，其课题组主要聚焦等离子体催化与电催化在化学转化中的应用研究。

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第一作者

黄碧柔，硕士毕业于武汉大学，目前在香港中文大学王莹教授的指导下攻读博士学位，主要致力于低浓度二氧化碳电催化转化领域的研究。

期刊简介

Industrial Chemistry & Materials (ICM) 目前已被ESCI、EI、Scopus、CSCD、美国化学文摘（CA）、DOAJ等数据库检索，最新影响因子15.7，位列双学科Q1区，入选2024年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目，入选中国科技核心期刊。是中国科学院主管，中国科学院过程工程研究所主办，英国皇家化学会（RSC）全球出版发行的Open Access英文期刊，由张锁江院士担任主编。ICM 以化学、化工、材料为学科基础，以交叉为特色，以应用为导向，重点关注工业过程中化学问题、高端材料创制中过程科学的国际前沿和重大技术突破，目前对读者作者双向免费。欢迎广大科研工作者积极投稿、阅读和分享！