基于醌的共价有机框架用于电化学二氧化碳捕获

《Journal of the American Chemical Society》：Electrochemical CO2 Capture by a Quinone-Based Covalent Organic Framework

电化学捕获二氧化碳的新策略：基于共价有机框架（COF）的高效捕获与稳定运行机制研究。首次通过 anthraquinone 构建的 COF 材料实现电化学 CO? 捕获，离子液体电解质中初始容量达 2.6 mmol g?1，但稳定性不足。改用 aqueous 电解质后，500 次循环后容量保持率显著提升，能耗降至 31 kJ mol?1，并揭示直接氧化还原捕获与 pH 变化共同作用机制。

　　
电化学二氧化碳捕获技术作为新兴的碳捕集方法，在提高能源效率方面展现出显著潜力。本研究首次实现了基于共价有机框架（COF）的电化学二氧化碳捕获，并通过优化电解质体系，将系统性能提升至工业应用可接受的水平。研究团队以anthraquinone（AQ）为功能单元构建COF材料，通过两电极电池系统实现了二氧化碳的高效捕获与再生。

核心创新点体现在材料设计与电解质体系的协同优化。COF材料具有多孔结构特征和高度有序的化学键网络，其 anthraquinone 单元在电化学还原过程中形成酚氧负离子，这种活性位点对二氧化碳表现出高亲和力。实验数据显示，采用离子液体电解质的系统在5 mA g?1电流密度下实现2.6 mmol g?1的捕获容量，达到理论值的50%，显著优于传统碳基材料。值得注意的是，当引入碳纳米管（CNT）作为导电基质时，材料电子传输性能提升约20%，电荷利用率从50%提高至74 mAh g?1，有效解决了红ox活性位点与导电网络分离的问题。

在电解质体系优化方面，研究团队对比了离子液体与水溶液电解质的表现。水相体系（1 M Na?SO?）不仅将捕获容量提升至0.8 mmol g?1，更实现了500次循环后99.6%的库仑效率，能量消耗降至31 kJ mol?1。这种突破源于水溶液中离子迁移的协同效应，使得材料表面电荷分布更均匀，同时避免了离子液体体系存在的电极腐蚀和界面阻抗问题。

机制研究揭示了双重捕获路径的协同作用。直接红ox捕获机制中，还原态的酚氧负离子通过静电相互作用与二氧化碳结合，形成稳定的碳酸根络合物。通过FTIR光谱分析，发现化学还原后的AQCOF在CO?环境中出现了特征吸收峰，证实了碳酸根络合物的形成。同时，在缓冲溶液体系中观察到0.12 mmol g?1的pH swing捕获贡献，这表明在特定电压窗口下，溶液pH变化也会促进二氧化碳的物理吸附。

性能优化方面，研究团队建立了电压窗口与捕获效率的关联模型。当工作电压范围控制在-1至-2.5 V时，CO?捕获容量达到峰值2.6 mmol g?1，但循环稳定性较差。通过调整电压窗口至-0.5至-1 V区间，在保持0.8 mmol g?1容量的同时，将循环稳定性提升3倍以上。这种优化策略为平衡材料性能与设备寿命提供了新思路。

值得注意的是，氧气对系统性能具有显著影响。在含15%氧气的混合气体中，CO?捕获容量下降至0.34 mmol g?1，库仑效率降低至91.2%。这可能与氧气的氧化作用导致活性位点失活有关。研究团队通过扫描电镜观察到，在离子液体体系中，电极表面在100次循环后出现明显腐蚀，而水相体系电极结构保持完整，这从微观结构层面解释了不同电解质体系的稳定性差异。

未来研究方向建议聚焦于三方面：首先，开发具有宽电位窗口的COF材料，通过分子工程手段调控活性位点的氧化还原电位；其次，构建多孔复合电极体系，将COF的高比表面积（310-325 m2/g）与碳材料的导电性优势有机结合；最后，建立包含SOx、NOx等杂质的复杂气体处理模型，开发抗干扰的催化剂涂层技术。

该研究为电化学碳捕获技术提供了重要理论依据。通过引入COF这种可设计的多孔材料，不仅突破了传统碳基材料活性位点密度低的瓶颈，更实现了水相体系下的规模化应用潜力。其展示的31 kJ mol?1能耗水平，较传统胺法捕集降低约60%，若能结合可再生能源驱动，有望形成闭环碳捕集-发电系统，对实现碳中和目标具有重要工程参考价值。