电化学脱质子化卤代醇实现CO2捕获与转化为乙烯碳酸酯的级联反应

为解决传统CO2捕获与转化技术能耗高、步骤繁琐的问题，韩国首尔大学Ki Tae Nam团队开发了一种新型电化学策略，通过卤代醇的电化学脱质子化生成氢气和卤代醇氧化物，后者可高效捕获CO2并自发环化为高附加值乙烯碳酸酯（EC）。该研究实现了近100%的法拉第效率（F.E.）和间接法拉第效率（iF.E.），为稀释CO2源（1.5%-15%）的直接利用提供了可扩展路径，相关成果发表于《Nature Communications》。

　　

全球碳中和目标下，碳捕集与利用（CCUS）技术成为研究热点，但传统方法如胺洗涤（amine scrubbing）和CO₂氢化依赖高能耗热过程。电化学技术虽具潜力，但现有体系如电化学碳捕获（ECC）和电化学反应性碳捕获（eRCC）仍面临选择性低、能量效率不足等挑战。如何通过简单反应实现CO₂的高效捕获与转化，成为亟待突破的科学问题。

韩国首尔大学Ki Tae Nam团队提出了一种创新方案：利用卤代醇（如2-氯乙醇）的电化学脱质子化，同步生成氢气（HER）和卤代醇氧化物。后者作为有机碱捕获CO₂形成中间体，并自发环化为乙烯碳酸酯（EC）。这一级联反应无需额外还原步骤，实现了CO₂从捕获到转化的无缝衔接。研究通过优化电极材料（Pt/Ni/Au）、电解质阳离子（四丁基铵盐）和卤素离去基团（Cl>Br>I），在100% CO₂条件下获得HER与EC的F.E./iF.E.双100%。针对低浓度CO₂（1.5%），团队采用气体扩散电极（GDE）和乙腈共溶剂提升传质效率，使EC产率提升至78%。

关键技术包括：1）两室膜分离电解池设计；2）线性扫描伏安法（LSV）评估卤代醇还原特性；3）核磁共振（NMR）与气相色谱（GC）定量产物；4）GDE构建与流动池优化；5）同位素标记验证氢源。

概念验证
通过Pt/Ni/Au电极对比实验，证实HER与EC生成高度协同。Au电极因选择性CO₂吸附使EC iF.E.达70%，而Pt/Ni的HER F.E.近100%。无CO₂时生成环氧乙烷（EO），验证了卤代醇氧化物的关键作用。

电解质与电流密度影响
四丁基铵盐因弱阳离子-醇氧化物相互作用，显著提升EC产率（对比质子化脒盐）。电流密度（2.5-10 mA/cm²）对iF.E.无影响，表明CO₂-醇氧化物加成反应为快速步骤。

卤素离去基团选择
2-氯乙醇最优，其C-Cl键抗还原性优于C-Br/C-I键。2-碘乙醇因I₃^-/I^-副反应导致HER F.E.趋零，但EC仍可通过化学环化生成。

GDE系统应用
GDE将15% CO₂下的EC iF.E.从46%提升至78%，5小时电解稳定性验证（EC浓度线性增至0.09 M）。乙腈稀释降低粘度，进一步优化CO₂传质。

底物拓展性
5种邻位卤代醇（如1-氯-2-丙醇）在乙腈中成功转化为相应环状碳酸酯，iF.E.提升至10%-100%，证实反应普适性。

该研究通过“电化学触发-自主转化”新范式，将高选择性HER与CO₂固定耦合，突破了传统CCUS技术的能量与步骤限制。其意义在于：1）开创级联反应设计，避免中间体还原的能量损耗；2）GDE与溶剂工程实现低浓度CO₂直接利用；3）为环状碳酸酯（聚合物前体、电池电解液添加剂）的绿色合成提供新路径。未来可探索更多电活化底物与CO₂的定向转化，推动电化学CCU技术发展。