电化学反应器最新碳捕集技术！

【研究背景】

随着可再生能源技术的不断发展，碳捕集与封存（CCS）作为应对气候变化的重要手段，因其能够有效减少温室气体排放而受到广泛关注。尤其是在电力行业、交通运输等领域，CCS的应用潜力巨大。相比传统的化石燃料，碳捕集技术可以有效减缓全球变暖趋势，降低人类活动对环境的影响。然而，当前的碳捕集技术仍面临高能耗、经济成本及运行效率低等问题，特别是在二氧化碳（CO2）的再生过程中，传统的热再生方法通常需要高达900℃的温度，这不仅增加了能耗，还依赖于化石燃料作为热源，进一步加剧了碳排放问题。

针对这一挑战，来自莱斯大学汪淏田教授团队在电化学CO2再生技术的研究中取得了重要进展。该团队设计并制备了基于固体电解质的电化学反应器，成功实现了从水相碳酸盐溶液中高效提取高纯度CO2。通过利用氢气演化反应和氢气氧化反应（HER/HOR），该反应器能够在室温和常压下，持续将碳酸盐溶液转化为高浓度的CO2气体，同时再生高浓度的碱性溶液。

这一新型电化学再生过程的成功实现，不仅显著提高了CO2的捕集效率，还显著降低了能耗和运行成本。研究表明，该反应器具有高离子传输数、良好的稳定性和工业相关的碳捕集速率，展现出作为传统热再生方法的可行替代方案的潜力。这一成果为碳捕集与封存技术的商业化应用提供了新的思路，推动了应对全球气候变化的科技进步。

【表征解读】

本文通过电化学阻抗谱（EIS）和电化学扫描微电极等表征手段发现了Pt/C电极在氢氧反应（HOR）过程中的电导率与反应条件之间的关系，从而揭示了催化剂在不同操作条件下的反应机理。这些分析结果表明，随着氢气流量和反应温度的变化，电极的电导率和反应速率呈现出显著的相关性，进而为催化剂的优化提供了重要的理论依据。

针对催化剂性能衰减的现象，本文采用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）对Pt/C催化剂的微观形貌进行了深入研究，得到了催化剂颗粒在循环使用过程中的聚集和形态变化。这些表征结果显示，催化剂颗粒的聚集不仅减少了其活性表面积，还导致了催化效率的显著下降，这一发现为催化剂的设计与应用提出了新的挑战与思考。

在此基础上，通过X射线光电子能谱（XPS）分析了Pt/C电极表面的化学状态变化，得到了反应过程中Pt的电子状态及其与支持材料之间的相互作用。XPS谱图的对比分析表明，在不同反应条件下，Pt的电子结构发生了变化，这影响了催化反应的选择性与活性。这一微观机理的揭示，使我们能够更好地理解Pt/C电极在氢氧反应中的作用，从而指导未来催化剂的设计。

此外，本文还利用核磁共振（NMR）和离子色谱（IC）等技术对反应过程中生成的中间产物进行了定量和定性分析。通过对中间产物的浓度变化监测，明确了反应体系中NaHCO3浓度对CO2释放效率的影响。结果显示，适当增加NaHCO3的浓度能够显著提高CO2的释放效率，从而促进了整体反应的进行。这一发现为优化CO2回收过程提供了新的思路。

总之，经过电化学表征、微观形貌分析、化学状态研究以及中间产物的定量分析，深入探讨了Pt/C电极在氢氧反应中的反应机理与性能变化。这些研究不仅为催化材料的改进提供了重要的理论依据，也推动了氢能技术的进一步发展。通过优化Pt/C电极的制备与表征方法，最终实现了催化效率的提升，为氢能的应用和发展贡献了力量。

CO2-碳酸盐碳捕集循环中热回收与电化学回收的比较

参考文献：Zhang, X., Fang, Z., Zhu, P. et al. Electrochemical regeneration of high-purity CO2 from (bi)carbonates in a porous solid electrolyte reactor for efficient carbon capture. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01654-z