Fluolab【JACS】电化学CO₂捕获新突破：容量高达2.6 mmol/g的有机框架材料
文章标题：Electrochemical CO₂ Capture by a Quinone-Based Covalent Organic Framework
通讯作者：Muhammad Abdullah Khan, Alexander C. Forse
文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c12304
文章概要
引言
随着全球气候变化的加剧，如何高效捕获和减少二氧化碳排放成为科学界和工业界的核心挑战。传统的热力学或压力摆动吸附方法能耗高、效率有限，因此电化学二氧化碳捕获（electrochemical CO₂ capture, eCC）逐渐受到关注。本文首次报道了利用蒽醌基共价有机框架（anthraquinone-based COF, AQCOF）实现电化学CO₂捕获的研究成果，展示了该材料在离子液体和水系电解质中的性能表现与机制探索。
材料设计与实验方法
研究团队假设，将蒽醌单元组装进高度有序的多孔COF结构中，可以显著提升电化学捕获能力。实验采用了蒽醌基COF作为电极材料，并在离子液体以及水系电解质中进行测试。通过电化学还原，蒽醌单元生成酚氧阴离子，能够与CO₂发生结合；而在电化学氧化过程中，CO₂释放并再生蒽醌，实现可逆循环。
离子液体体系的性能
在离子液体电解质中，AQCOF展现出初始捕获容量约1.5 mmol/g，并在低电流密度下达到2.6 mmol/g的峰值。这一容量超过了此前报道的蒽醌功能化碳材料。然而，离子液体体系存在稳定性不足的问题：在高电流密度下，CO₂捕获效率下降，且循环过程中容量逐渐衰减。经过100次循环后，容量损失超过60%，显示出较大的优化空间。
水系电解质的突破
为了克服离子液体体系的不足，研究团队引入了水系电解质（1 M Na₂SO₄）。结果显示，水系体系不仅提升了捕获容量（约0.8 mmol/g），而且能耗显著降低至31 kJ/mol CO₂，远低于传统胺法的结合焓。同时，水系体系在500次循环中保持了99.6%的库仑效率，表现出优异的稳定性。这一结果表明，水系电解质为电化学CO₂捕获提供了更具应用前景的解决方案。
捕获机制探讨
研究进一步通过电化学测试与光谱分析揭示了两种可能的捕获机制：
- 直接氧化还原结合（Direct Redox Capture）：蒽醌单元在还原后与CO₂形成共价结合，随后在氧化过程中释放。
- pH摆动机制（pH Swing Capture）：在水系电解质中，电极反应引发局部pH变化，从而促进CO₂的吸附与释放。
实验结果显示，离子液体体系主要依赖直接氧化还原机制，而水系体系则可能同时存在两种机制的协同作用。
氧敏感性与挑战
尽管性能优异，蒽醌基COF在含氧环境下表现出明显的性能下降。氧气会重新氧化活性位点，使其无法与CO₂结合，导致捕获效率降低。这一问题提示未来需要开发更稳定的红氧活性框架材料，以适应实际烟气成分中复杂的气体环境。
长期稳定性与材料结构变化
在长期循环中，离子液体体系的电极材料出现结构损伤，而水系体系则保持较好的形貌稳定性。扫描电镜与X射线衍射分析表明，水系电解质能够有效减缓材料的降解过程，为其在工业应用中提供了更强的可行性。
结论与展望
本文首次证明了共价有机框架在电化学CO₂捕获中的应用潜力。蒽醌基COF不仅在离子液体中展现出高容量（2.6 mmol/g），更在水系电解质中实现了低能耗与高稳定性。研究揭示了直接氧化还原与pH摆动两种机制的可能性，并指出氧敏感性与材料稳定性是未来优化的关键方向。
这一成果为电化学CO₂捕获开辟了新的材料体系，未来有望通过结构设计与机制调控进一步提升性能，并推动其在工业碳减排中的应用。