第一作者：席大为，杨峥
通讯作者：席大为, Michael J. Aziz
通讯单位：哈佛大学
论文DOI：https://doi.org/10.1039/D4EE05109B
近日，哈佛大学Aziz课题组于期刊《Energy & Enivronmental Science》发表题为“Electrochemical acid-base generators for decoupled carbon management”的研究论文。在本文中，作者成功发展出一种实现高电流效率产高浓度酸碱的较低能耗电化学系统，用于二氧化碳富集等应用。该工作中调控水相载流子与提升电流效率的策略本质上与该课题组先前报导的工作是一致的：https://doi.org/10.1039/D4YA00279B；https://doi.org/10.1038/s41560-024-01474-1。第一作者为席大为，杨峥；通讯作者为席大为，Michael J. Aziz。该论文成果由中国科学技术大学校友席大为（1519）指导校友杨峥（2003）在哈佛大学暑期科研时完成。杨峥现为普林斯顿大学Craig Arnold组博士生。
文章介绍了一种基于电化学的酸碱发生器，用于高效的碳捕获与释放。通过设计三室结构并采用氢氧化还原循环，成功实现了弱酸和强碱的电化学高效制备，酸碱交叉（crossover）的控制实现了广泛的、在各个电流与产生的酸碱的各个浓度下的高电流效率，从而可以以高电流效率制备高浓度酸碱产品用于二氧化碳捕获相关应用，实现了对CO2捕获与释放过程反应与电化学装置的解耦，指引了高效实用的电化学酸碱发生器与二氧化碳电化学捕获的装置设计，具有良好的应用前景。
全球变暖使得高效的二氧化碳捕获与管理技术变得尤为重要。传统碳捕获方法（如热驱动或胺吸收法）能耗较高且存在材料稳定性问题。因此，探索能够利用可再生电力、实现分布式运行的电化学方法是未来的重要发展方向。
电化学活性分子二氧化碳捕获通常受到氧气稳定性限制。电化学酸碱发生器则通常电阻大，能耗高，电流效率差。一些多腔室电化学二氧化碳捕获装置涉及到二氧化碳在电化学池内的原位吸收或在中间腔的释放，装置放大时会有二氧化碳吸收动力学慢或气泡阻碍离子通路的问题，这些动力学和传质问题导致大量产生的酸碱在电化学中被中和，降低电流效率，提升电池电阻。
设计低电阻的电化学酸碱发生器，维持各个电流密度下的高电流效率，可制备高浓度酸碱用于解耦的电化学池外化学反应，有潜在的长时间运行潜力，是此类体系希望达到的。一个仅满足几个优势条件的电化学发生器的潜在实际应用会受到短板性质的限制。
本文工作的核心是希望通过电化学的方法低能耗下产生高浓度酸碱，从而将CO2的捕获和释放过程与电化学反应解耦，避免CO2直接在电化学池中反应带来的动力学限制，产生气泡或固体干扰电化学装置。由此，研究者旨在克服电池结构中酸碱交叉扩散（crossover）问题，以提高系统整体电流效率和降低能耗。
1. 设计了一种三室两膜电化学池，并研究了该装置内各个部分的酸碱交叉扩散（crossover）通量。该弱酸强碱发生装置的中心室配备蛇形流道，显著减少了质子和氢氧根离子的交叉扩散，从而提高电流效率（>95%）和酸碱浓度（>1 M）。薄而优化传质的中间腔实现了较低的电阻，从而只需较低的能耗。
2. 实现了高电流密度（20-200 mA cm-2）下的高效酸碱生成，各个电流密度下电流效率均超过94%，能源消耗明显低于传统电化学酸碱生成装置。
3. 展示了该系统在模拟烟道气CO2捕获、空气中直接捕获（DAC）和绿色熟石灰制备（绿色水泥原料）等实际碳管理领域的应用潜力。化学反应与电化学装置解耦，具有更好的可放大潜力。装置不受二氧化碳吸收反应动力学控制，中间腔不生成气泡阻碍离子通路，电池内不涉及固体阻碍流动，更具有可操作性。
4. 成功使用太阳能电池和液流电池供电，实现可持续且不依赖电网的碳管理技术路线。
5. 弱酸强碱制备方案可简化其他电化学酸碱发生器的结构，从而减小电化学装置的电阻，同时可以提高他们的电流效率，具有普遍的设计参考价值。
图1（装置设计原理图） 展示了三室电化学酸碱生成装置的结构，明确质子（左膜）与钠离子（右膜）是主要载流子，而质子和氢氧根的交叉扩散（酸碱crossover）是损失电流效率的主要原因。
图2（酸碱交叉扩散实验数据） 详细量化了不同电流密度和浓度下的质子和氢氧根离子跨膜扩散速率，强调提高中心室缓冲能力和传质能显著减少交叉扩散，提高系统效率。
图3（酸碱生成器性能表征） 系统分析了装置的极化曲线、电化学阻抗、开路电压(OCV)、电流效率与能耗之间的关系。说明了中间腔蛇形流道设计提高了电流效率及酸碱生成浓度，各个电流密度下的电流效率均较高。
图4（实际应用场景验证） 验证了在太阳能电池和液流电池供电下系统的稳定运行。图中还展示了装置在捕获烟道气（10% CO₂）和空气中CO₂的高效性能，此外还展示了电解产生的酸碱用于绿色熟石灰合成的有效性，产品为高纯度的Ca(OH)₂。应用时化学反应与电化学池解耦，对电池稳定运行影响低。
图5（拓展应用与不同类型电池结构） 测试了不同类型电化学装置（如双极膜水解电池、氧气氧化还原电池和电解水电池）应用中心室弱酸缓冲设计的有效性，结果表明该策略具有通用性，普遍提升了酸碱生成的效率，简化了电池结构。
本研究通过设计并优化电化学酸碱生成装置，有效解决了传统酸碱电化学电流效率低下、电阻大、交叉扩散严重的问题。所设计装置在实际应用场景中表现出优异性能，为实现可持续、高效的碳捕获与利用技术提供了切实可行的指引。该类电化学酸碱发生器还可用于锂电池回收，金属分离等其他酸碱相关应用。
Xi, D., Yang, Z., Emanuel, S. M., Zhao, P., Aziz, J. M., “Electrochemical acid-base generators for decoupled carbon management” Energy Environ. Sci., 2025
https://doi.org/10.1039/D4EE05109B
哈佛大学Aziz lab自2012年起与Roy G. Gordon推动了水相有机液流电池领域的发展和应用，2007年起与Daniel P. Schrag开始水相pH swing尤其是电化学pH swing用于二氧化碳捕获富集技术路径的探究。
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