通过一种可扩展的、基于中性聚合物的水性电解质实现超电容式二氧化碳捕获

《ChemSusChem》：Supercapacitive CO2 Capture through a Scalable, Aqueous, Neutral Polymer-Based Electrolyte

二氧化碳捕获 超级电容器 水基聚合物电解质 负电压协议 电化学稳定性 碳捕获效率 抗腐蚀性 可持续能源 电化学吸附 离子传输动力学

　　近年来，随着全球气候变暖问题日益严重，二氧化碳（CO?）的捕集与封存成为减缓温室气体排放的关键手段之一。传统的CO?捕集技术，如湿法化学吸收法，虽然在大规模应用中表现稳定，但仍面临较高的能耗、大量用水需求以及可能的环境风险等问题。例如，胺类溶剂在使用过程中可能挥发至环境中，造成污染，且再生过程需要消耗大量能量。因此，科学家们正在积极寻找更加安全、经济且可持续的替代方案。

在这一背景下，一种基于超级电容器的CO?捕集技术——“超级电容吸附（SSA）”逐渐受到关注。SSA技术通过改变电容器内的电压差来实现CO?的吸附与释放，无需额外加热即可完成再生过程。这种方法不仅降低了能耗，还提高了系统的可持续性。然而，SSA技术的实际应用仍面临一些挑战，如如何提高CO?的吸附容量，以及如何优化电化学性能，以实现更高效的能量存储与释放。

为了应对这些挑战，研究人员开发了一种新型的水基聚合物电解质，该电解质结合了聚乙二醇（PEG）和少量的氯化钠（NaCl），从而在中性pH条件下实现高效的CO?捕集。这种电解质不仅具有良好的安全性，还展现出优异的电化学稳定性。与传统的微孔碳电极材料相比，该电解质在相同操作条件下，能够显著提高单位质量电极材料的储能能力。通过调整PEG与水的比例，研究团队发现当电解质中PEG含量较高时，其电化学窗口可达3 V，从而使得系统在高电压下仍能保持稳定运行，这为提升CO?捕集效率提供了重要的技术基础。

实验结果显示，该水基聚合物电解质在CO?吸附过程中表现出显著的性能优势。例如，在使用负电荷协议（NCP）时，系统能够在?2.5 V的电压范围内实现高达356 mmol CO?/kg电极的吸附量，远超传统方法的吸附能力。这一现象的出现，主要归因于两种机制：首先，预先吸附在电极孔隙中的碳酸氢根离子（HCO??）在负电荷作用下被驱出；其次，这些离子在CO?气体环境中缓慢迁移至正电荷的对电极（CE），从而增强了吸附能力。值得注意的是，这一过程并不依赖于电荷的方向，即无论正电荷还是负电荷，其吸附和释放机制均表现出对称性，这一特性为未来开发更加灵活的CO?捕集系统提供了新思路。

为了进一步验证这一发现，研究团队通过一系列实验手段，如差示扫描量热法（DSC）和1H核磁共振（NMR）分析，研究了电解质的物理和电化学特性。实验表明，随着水含量的增加，电解质的pH值逐渐降低，这与CO?在水中的溶解以及其形成酸碱平衡有关。同时，电解质的粘度也随PEG含量的变化而变化，特别是在CO?气氛下，粘度明显增加。这可能是由于CO?与水分子之间的相互作用，导致溶液结构更加紧密，从而限制了离子的迁移能力。然而，尽管粘度有所增加，电解质的离子电导率仍然保持相对稳定，表明CO?的存在并未显著影响电解质的导电性能。

在电化学性能方面，研究团队通过线性扫描伏安法（LSV）和恒电流充放电测试（GCLP）对不同电解质配方进行了系统评估。结果显示，当使用负电荷协议时，CO?的吸附能力显著提高，这表明电荷方向在某些情况下对CO?的捕集效率具有重要影响。此外，通过调整电极材料的配比，如在两电极系统中采用2.2:1的质量比，研究团队进一步优化了系统的性能，使得电极间的电势分布更加对称，从而提高了整体的电容和能量存储效率。

值得注意的是，该电解质系统不仅在吸附能力上表现出色，还在长期运行中展现出良好的稳定性和抗腐蚀性。这使得其在实际工业应用中更具可行性，尤其是在处理含有CO?和其他气体（如O?）的混合废气时。通过测试不同电压窗口下的性能，研究团队发现，当电解质在0 V至±2.5 V的范围内运行时，其电化学窗口的扩大显著提升了系统的能量存储能力。由于超级电容器的能量存储与电压的平方成正比（E = ?CV2），因此该电解质的宽电压窗口使其能够实现更高的能量密度，这为未来开发高能效的CO?捕集系统提供了新的可能性。

从技术经济角度分析，这种水基聚合物电解质不仅提高了CO?的捕集效率，还降低了整体的能耗。通过优化电极材料和电解质配方，研究团队实现了CO?捕集与能量存储的协同提升，使得系统在单位能耗下能够捕集更多的CO?。此外，该系统在不同电流密度下的表现也表明，其性能具有一定的灵活性，能够适应多种操作条件。尽管在某些情况下，吸附能力会随着电流密度的增加而下降，但其整体能量效率仍保持较高水平，尤其是在负电荷协议下，能够实现超过60%的能量效率。

然而，研究团队也指出，该技术仍存在一些需要进一步解决的问题。例如，虽然在负电荷协议下CO?的吸附能力显著提升，但其电荷方向独立性需要更深入的分子层面研究来确认。此外，随着充放电循环次数的增加，电极材料的性能可能会有所下降，这提示需要进一步探索如何延长系统的使用寿命。同时，电解质的粘度和离子迁移速率在一定程度上限制了其吸附能力，因此未来的研究方向可能包括开发更低粘度的电解质配方，以提高离子的迁移效率，从而进一步提升CO?的捕集容量。

总体而言，这项研究为CO?的捕集与封存提供了一种新的技术路径。通过设计一种安全、中性pH、高电化学稳定性的水基聚合物电解质，研究团队成功实现了高吸附容量和高效能量存储的双重目标。这一成果不仅有助于推动CO?捕集技术的可持续发展，还为未来的工业应用提供了重要的技术基础。未来，随着对吸附机制的深入理解以及电解质配方的进一步优化，这种技术有望在更广泛的领域中得到应用，成为降低碳排放、应对气候变化的重要工具。