第一作者：Xinhui Yu
通讯作者：庄林，王功伟
通讯单位：武汉大学
论文DOI：10.1002/anie.202502420
为解决碱性CO2电解转化过程中的跨膜碳损失问题，武汉大学 庄林/王功伟 团队创新性地提出了一种氧化还原介导耦合CO2电解策略。通过引入氧化/还原高度可逆的蒽醌-2,7-二磺酸（Anthraquinone-2,7-disulfonic acid）作为介导，将阴极二氧化碳还原反应（CO2RR）和阳极氧析出反应（OER）分离到两个膜电解器中进行，将跨膜CO2排放与阳极O2析出过程从空间上进行分离，实现高纯度CO2的回收。
碱性电化学CO2还原（CO2RR）有利于抑制析氢竞争反应。然而，CO2与OH−反应生成碳酸根（CO32-）和碳酸氢根（HCO3-）的碳酸化过程，不仅会导致气体扩散电极（GDE）出现“盐析”现象，堵塞阴极流场，而且电迁移至阳极的CO32-和HCO3-会再次转化为CO2，和阳极区析出的O2一起排放，造成巨大的碳损失，甚至可能超过通过电化学转化的量。在实际应用中，CO2的捕集和分离能耗巨大、成本高昂。因此，解决跨膜碳损失对于提高碱性CO2电解转化的经济性至关重要。
近日，武汉大学 庄林/王功伟 团队创新性地提出了一种氧化还原介导耦合CO2电解的策略。通过引入一对高度可逆的氧化/还原电对，将阴极CO2RR和阳极OER分离在两个不同的膜电解器进行，实现阳极区跨膜CO2的高纯度回收。
(1) 采用蒽醌-2,7-二磺酸AQDS（Anthraquinone-2,7-disulfonic acid）作为氧化还原介导。分子尺寸大，不会跨膜传输，避免对CO2RR和OER造成干扰；具有优异的电化学可逆性和较高的溶解度，支持大电流密度下的运行。
(2) 构建氧化还原介导的耦合电解系统。将阴极CO2RR和阳极OER分离到两个膜电解器中进行，有效回收跨膜传输的CO2气体，避免碳损失。
图1. 碱性CO2电解中跨膜碳损失和回收方案示意图。
碱性体系的CO2电解中存在严重的跨膜碳损失问题（图1a, b），通过将CO2RR和OER分离到两个膜电解器中进行，即氧化还原介导（RM）耦合电解策略（图1c），可有效解决该问题。
如图2所示，研究中选用蒽醌-2,7-二磺酸（AQDS）作为氧化/还原介导，通过酸化蒽醌-2,7-二磺酸二钠盐（Na2AQDS）制备可得，能够防止Na+离子的跨膜迁移造成“盐析”现象。AQDS具有较高的溶解度，支持大电流密度下的运行；同时，分子尺寸大，不会跨膜传输，可以避免对CO2RR和OER造成干扰。
图3. 电解器单独运行时，RM耦合电解系统的性能。
图3展示了两个电解器单独运行时，耦合电解系统的性能。AQDS-H2/AQDS的氧化还原转化可以有效地耦合阴极CO2RR和阳极OER过程。同时，结合在线质谱监测，CO2离子电流信号的增长进一步证实了CO2的跨膜传输。
图4. RM耦合电解系统的照片及不同电流密度和溶液流速下的电解器槽压变化。
由于AQDS/AQDS-H2的反应是由扩散控制，氧化还原介导（RM）溶液的浓度和流速对电解性能有很大的影响。在较高的流速下，电解器的槽压显著降低，且几乎保持恒定（图4b）。
图5. 双电解器同时运行，RM耦合电解系统的性能。
最后，研究者将耦合电解系统的双电解器同时运行（图5）。在100 ~ 200 mA/cm2电流密度下，阴极CO2RR制备CO的法拉第效率稳定在90%左右。通过定量测定阳极CO2气体的排出流速，确定了不同条件下碱性膜中传导的离子种类。另外，在100 mA/cm2连续运行时，耦合电解系统的CO选择性和槽压保持稳定。质谱监测结果表明，跨膜CO2的离子电流信号先逐渐增长、然后趋于稳定，同时H2和O2的离子电流信号基本不变，这表明AQDS能够有效避免副反应的发生。最终，通过气球回收得到一定体积的CO2气体。
研究结果验证了氧化还原介导耦合CO2电解的可行性，将跨膜CO2排放与阳极O2析出过程从空间上进行分离，实现高纯度CO2的回收、避免碳损失，有望推进碱性CO2电解的实际应用。
Xinhui Yu, Liwei Xue, Yiheng Liao, Li Xiao, Gongwei Wang, Lin Zhuang, Redox-Mediated CO2 Electrolysis for Recovering Transmembrane Carbon Loss, Angew. Chem. Int. Ed. 2025
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202502420
http://www.zhuang.whu.edu.cn/
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