综述：集成电化学碳捕获与转化：微环境、催化剂及系统的影响与优化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Integrated Electrochemical Carbon Capture and Conversion: The Effect and Optimization of Microenvironments, Catalysts and System

　　

摘要

碳捕获技术普遍面临高能耗的挑战，这源于在再生 CO₂ 吸附剂期间需要克服强烈的化学键能。电化学碳捕获技术通过电位调控实现吸附/脱附循环，理论上具有与可再生能源电力耦合并显著降低净能耗的潜力。碳捕获技术普遍面临高能耗的挑战，这源于在再生 CO₂ 吸附剂期间需要克服强烈的化学键能。电化学碳捕获技术通过电位调控实现吸附/脱附循环，理论上具有与可再生能源电力耦合并显著降低净能耗的潜力。在此背景下，本综述系统总结了电化学捕获、CO₂ 还原及其集成系统的最新进展。首先，阐明了被捕获碳物种的还原路径，并突出了它们与游离 CO₂ 还原的机理差异。此外，讨论了反应界面处的微环境调控策略，包括脉冲电位重构、阳离子/阴离子效应和界面水设计，旨在协调捕获与转化之间的不兼容性。此外，还分析了催化剂设计策略，以总结高价值多碳生产的可能机制。关键在于，为了解决富胺介质的高腐蚀性，强调了催化界面和捕获介质的协同设计。最后，本综述评估了系统的长期稳定性，描绘了捕获介质、膜和催化剂的降解机制，并展望了宏观系统级优化，旨在为走向工业脱碳提供决定性路径。

引言

全球缓解气候变化的努力促成了从被动碳封存向主动碳增值利用的范式转变。尽管碳捕获与封存（CCS）技术日益成熟，其技术经济可行性受到与高温 CO₂ 脱附和压缩步骤相关的巨大能耗的严重制约。这一热力学瓶颈占 CCS 总能耗的 60-80%，使得传统的“捕获 - 脱附 - 转化”路径在实现闭合碳循环方面效率低下。[1], [2], [3], [4], [5]

因此，集成 CO₂ 捕获与转化（ICCC）已成为一种变革性策略。[6], [7], [8] 通过绕过高能耗的吸附剂再生步骤，ICCC 系统利用可再生能源电力电化学催化液相捕获介质中化学结合碳物种（如碳酸氢盐和氨基甲酸盐）的还原，生成高附加值产品。[9] 这种过程强化不仅显著降低了能耗和成本，还为在更温和的操作条件下将稀释 CO₂ 源（如烟气或直接空气捕获气流）转化为高端化学品和燃料开辟了新的途径。[10], [11], [12], [13]

然而，与传统的化学方法不同，后者在将 CO₂ 送入电化学还原系统进行转化之前先进行捕获和脱附，而集成 CO₂ 捕获与转化系统在动态且非均相的电解质环境中运行。反应物不再是简单的溶解 CO₂ 分子，而是高度溶剂化的带电离子物种，它们不断受到强电场的极化。这些化学结合物种比气态 CO₂ 表现出更大的热力学稳定性，在电催化界面上施加了更高的活化能垒。反应物形态的这种转变也导致了更复杂的微观反应路径。此外，集成系统必须解决 CO₂ 捕获与转化之间的热力学 - 动力学失配。高效的 CO₂ 捕获通常需要强碱性或特定的分子载体（如胺类），而高效的电催化通常需要受控的局部 pH 梯度和优化的质子可用性，以有效抑制副反应析氢反应（HER）。

应对这些挑战需要对集成系统内的微环境和催化剂进行详细调查。[14] 为了解耦各种捕获溶液中多样的反应物形态并弥合这一基本失配，迫切需要就反应微环境和催化剂表面进行协同研究。

然而，现有文献中仍存在知识空白。最近发表的优秀综述已提供了关于捕获和电化学转化策略总结的广泛、总体概述，[15] 用于增强电催化 CO₂ 还原的详细表面改性，[16] 捕获介质 [17], [18] 以及催化剂介导的产物控制。[19] 然而，先前的综述主要孤立地对待捕获介质和电催化剂，未能解决界面处的基本热力学 - 动力学失配。具体而言，在反应电位偏置下，由高浓度、粘性和腐蚀性被捕获碳物种（如氨基甲酸盐和碳酸氢盐）决定的动态且局部化的微环境仍未得到充分描绘。此外，溶液复杂的环境可能显著影响催化剂及其载体，导致催化剂腐蚀。因此，应更加关注捕获介质微环境和催化剂的协同设计。

因此，本综述侧重于捕获介质和催化剂的微环境对 CO₂ 捕获与转化的影响。它首先通过评估被捕获碳物种的电化学还原路径，阐明它们与标准 CO₂ 还原相比在微观机制上的基本差异。随后，我们系统地描述了定制捕获介质微环境的策略，包括脉冲电位诱导的微环境重构、阳离子/阴离子效应和水界面设计，以弥合捕获与转化之间的失配。此外，我们对 ICCC 系统复杂环境中的双功能催化剂设计策略进行了深入分析，旨在引导碳通量向高附加值多碳产物的选择性转化。然后我们讨论了系统级架构和长期有效运行的稳定性评估。最后，我们总结了不同捕获系统中的挑战和策略，并提出了系统级过程优化、设备架构的前瞻性愿景，旨在促进下一代集成 CO₂ 捕获与转化技术的产业化。

章节摘要

CO₂ 捕获吸附剂

在现有的碳捕获技术中，化学吸收仍是最成熟的。以其高 CO₂ 选择性和去除效率而闻名，它在工业设置中广泛使用碱性水溶液和胺基溶剂进行部署。基本原理依赖于捕获介质和 CO₂ 之间的可逆化学反应，从混合气流中选择性吸收气体。随后被捕获 CO₂ 的脱附和回收 - 通常由热输入驱动

捕获介质和电解质的微环境调控

在电化学 CO₂ 捕获和原位转化（ICCC）中实现高效协同的关键在于克服捕获和转化双操作条件之间的固有不兼容性。理想的捕获和电解质介质应表现出稳健的双功能性：宏观上，它作为高容量碳载体；微观上并直接参与催化界面处的质子耦合电子转移（PCET）过程，促进 CO₂

催化剂设计

实现对特定高附加值产物（如 CO₂RR 中的 C₂₊ 烃类）的专属选择性是催化研究的关键目标。根据萨巴蒂尔原理，理想催化剂应具有适中的中间体结合能。然而，在多电子转移过程中，关键中间体（如 *COOH 和 *COO）的吸附能通常表现出强烈的线性相关性。这种热力学耦合效应限制了反应的灵活性

稳定性评估

尽管集成碳捕获与转化（ICCC）系统在法拉第效率和产物选择性方面取得了重大突破，但其工业化转化的前提在于在严苦的连续条件下实现超长期稳定运行。可持续且稳定的电解严重依赖于人工电解质更换或连续 CO₂ 吹扫。[148], [149] 作为一种高度耦合的物理化学架构，ICCC 的长期稳定性

结论与展望

如表 5 所示，集成碳捕获与转化系统因其高 CO₂ 利用率和法拉第效率而见证了显著的扩展。

我们从微环境、催化剂、系统层面和稳定性方面确定了 ICCC 系统中的几个瓶颈。识别和明确理解这些挑战是规避困境的关键一步。我们简要概述了从微环境到 调查的 ICCC 系统的主要瓶颈

CRediT 作者贡献声明

Zhen Huang: 监督，资源。 Yue Zhang: 写作 - 审阅与编辑，写作 - 原稿，方法论，形式分析，数据整理，概念化。 Zhidong Wei: 可视化，监督，资源，资金获取，概念化。 Wenfeng Shangguan: 监督，资源。 Chen Wang: 写作 - 原稿，方法论。 Tianyi Jiang: 写作 - 审阅与编辑，数据整理。

竞争利益声明

作者声明以下财务利益/个人关系，这可能被视为潜在的利益冲突：Zhidong Wei 报告获得了上海交通大学的财务支持。Zhidong Wei 报告与上海交通大学存在包括雇佣在内的关系。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢上海市科技重大项目，以及上海交通大学“双一流”项目（WH220545009）。

利益冲突

作者声明，研究是在不存在任何可被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。

Yue Zhang|Chen Wang|Tianyi Jiang|Zhidong Wei|Wenfeng Shangguan|Zhen Huang

上海交通大学智慧能源学院，中国上海市 200240