一种氧化还原活性聚合物网络助力从含稀 CO2气流中电化学生成多碳产物的反应捕获电合成

为解决电化学生成多碳产物中易产生低价值 C1产物、处理稀 CO2气流时性能不佳的问题，研究人员开展氧化还原活性聚合物网络用于电活性反应捕获电合成的研究。结果表明，该体系可使 C2法拉第效率达 55±5% ，这提升了 CO2反应捕获的电化学性能。

　　在全球致力于应对气候变化的大背景下，二氧化碳（CO₂）的捕集与转化成为科研热点。将 CO₂转化为有价值的化学品和燃料，既能减少温室气体排放，又能实现碳资源的循环利用。然而，当前的电化学生成多碳产物技术面临两大难题：一是容易产生价值较低的 C₁产物（每个分子仅含一个碳原子的碳产物），二是在处理稀 CO₂气流（如 CO₂浓度约 1 - 10%）时，性能难以维持。这使得相关技术的发展受限，迫切需要新的突破。

为了解决这些问题，来自多伦多大学、清华大学等多所高校的研究人员携手开展研究。他们聚焦于催化剂的设计，期望能促进多碳（C₂⁺ ，每个分子含两个或更多碳原子的碳产物）的生成，抑制析氢反应（HER）和 C₁产物的产生，同时实现对稀 CO₂气流的高效利用。研究成果发表在《Nature Communications》上，为 CO₂的转化利用开辟了新方向。

研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。分子动力学（MD）模拟用于探究 CO₂在聚合物结构中的扩散和捕获情况；密度泛函理论（DFT）计算则从理论层面分析 CO₂的还原过程和反应机理；电化学测试通过线性扫描伏安法（LSV）、原位差分电化学质谱（DEMS）等手段，评估催化剂的电化学性能 ，还利用气相色谱（GC）和核磁共振（NMR）对产物进行分析。

局部富集和捕获 CO₂

研究人员借助 MD 模拟发现，CO₂倾向于扩散进入基于紫精（viologen）的聚合物催化剂（PTV）的结构并被捕获，这使得电极表面附近的 CO₂浓度显著提高。相比裸铜表面，PTV 修饰的电极能够营造出有利于反应进行的富 CO₂环境，有望抑制 HER，促进 C₂产物的生成。

氧化还原行为激活 CO₂

循环伏安法研究显示，PTV 电极呈现出两对可逆的氧化还原峰。当引入 CO₂后，其还原峰增强，表明 PTV 中还原态的紫精物种能够向 CO₂分子转移电子，启动激活过程。DFT 计算进一步证实，PTV 可降低 CO₂还原的电位，促进其向 C₂产物转化。原位拉曼光谱和原位傅里叶变换红外光谱（FTIR）也观察到相关峰的变化，表明 PTV 在较低电位下能有效激活 CO₂ ，助力其转化为 C₂产物。

电化学生成多碳产物的反应捕获性能

在含 CO₂氛围下进行的 LSV 和 DEMS 测试表明，PTV - Cu 催化剂相较于裸铜电极，起始电位更低，且 HER 得到抑制，C₂H₄的生成提前。在模拟捕获后液体的碳酸钾还原体系中，PTV - Cu 电极对 C₂产物的法拉第效率（FE）高于裸铜电极。通过引入碳添加剂和疏水聚合物层等优化措施，PTV - Cu 电极的 C₂ FE 进一步提升，最高可达 55±5% ，产物气中 C₂H₄浓度达 56±4 wt%。

稀 CO₂气流电化学生成多碳产物的反应捕获性能

研究人员分别用 100% 和 1% 的 CO₂气流在 1 M KOH 中进行捕获实验。结果显示，使用 1% CO₂时，裸铜电极的 C₂⁺ FE 急剧下降，而 PTV - Cu 电极凭借其捕获和激活 CO₂的能力，维持了 45±5% 的 C₂ FE。在稳定性测试中，通过更换缓冲层，构建的集成捕获 - 转化系统可连续运行 40 h ，电流密度为 300 mA/cm² ，C₂⁺ FE 稳定在 50% 左右。

综上所述，研究人员设计的氧化还原活性聚合物网络显著提升了 CO₂反应捕获的电化学性能，尤其在贫 CO₂捕获环境中表现出色。该体系能够高效地将 CO₂转化为多碳产物，为实现 CO₂的资源化利用提供了一种可行的策略。这一成果不仅在缓解温室效应方面具有潜在价值，还为可持续能源和化工领域的发展提供了新的思路和方法，有望推动相关产业的技术革新，在未来的碳循环利用中发挥重要作用。