摘要：碳管理在应对一些难以减排的行业（如钢铁生产和水泥制造）中的排放问题上至关重要。传统的二氧化碳捕集方法主要依赖胺洗涤技术，该技术通常在40°C下捕集CO2，并在120°C下释放CO2。然而，随着全球对更高效且经济可行的碳捕集技术需求的增加，研究者们将焦点转向了电
研究背景
碳管理在应对一些难以减排的行业（如钢铁生产和水泥制造）中的排放问题上至关重要。传统的二氧化碳捕集方法主要依赖胺洗涤技术，该技术通常在40°C下捕集CO2，并在120°C下释放CO2。然而，随着全球对更高效且经济可行的碳捕集技术需求的增加，研究者们将焦点转向了电化学技术。电化学碳捕集系统的优势在于其等温操作，可以通过电梯度驱动氧还原反应，直接或间接增强系统对CO2的亲和力。相比于传统方法，电化学系统在捕集过程中可以实现更高的效率，并且水作为溶剂具有安全、经济和优异的离子导电性。
其中，醌类化合物因其独特的化学性质在电化学碳捕集系统中表现出巨大的潜力。醌具有两种潜在的CO2捕集机制：亲核性摆动机制和pH摆动机制。醌在还原后可通过亲核加成与CO2反应形成醌-CO2加合物，或者在质子溶剂中，醌还原反应会伴随质子耦合生成氢氧根离子，这些离子可以捕集CO2形成碳酸盐或碳酸氢盐。然而，现有的技术通常仅能测量捕集或释放的CO2总量，无法定量分析这两种机制的独立贡献。因此，如何定量评估亲核性摆动机制和pH摆动机制的相对贡献，成为该领域研究的重要课题。
成果简介
为此，哈佛大学Michael J. Aziz教授等人在Nature Chemical Engineering期刊上发表了题为“In situ techniques for aqueous quinone-mediated electrochemical carbon capture and release”的最新论文。该团队设计并制备了一种基于醌的电化学系统，重点探讨了亲核性摆动机制和pH摆动机制在水溶液中的相互作用。通过引入两种原位实验技术，团队成功量化了这两种机制在CO2捕集中的独立贡献。
首先，团队利用原位参比电极技术，测量了醌和醌-CO2加合物之间的电压信号差异，能够精确区分这两种机制的贡献。其次，研究人员开发了基于荧光显微技术的非侵入性检测方法，通过测量醌还原态和加合物形式在不同波长下的荧光发射，成功实现了对醌物种的高时间分辨率、亚微米尺度的识别。这一技术为电化学碳捕集系统的研究提供了新的手段，显著提高了对醌基系统中各机制的理解，并推动了该领域技术的进一步发展。通过这些创新，研究团队不仅为电化学碳捕集技术提供了新的理论支持，也为未来该技术的工程化应用奠定了基础。 研究亮点
（1）实验首次阐明了亲核性摆动和pH摆动机制在水相醌介导的碳捕集系统中的相互作用，并揭示了这两种机制对CO2捕集过程的不同贡献。通过热力学分析，研究强调了两种机制在不同操作条件下的相对主导地位，以及这一现象对电化学系统性能的影响。
（2）实验通过开发两种原位实验方法来量化这两种机制的贡献。第一种方法利用原位参比电极，基于醌与醌-CO2加合物之间的电压差异，成功定量分析了亲核性摆动和pH摆动机制的独立作用。第二种方法基于发现醌加合物在特定激发光照射下会发出与还原态醌不同波长的荧光，从而利用原位荧光显微镜技术，以亚秒级时间分辨率和单数字微米分辨率，区分不同物种的动态变化。这些实验结果为未来开发高效的水溶液醌基碳捕集技术提供了理论依据和实验支持。
图文解读 图1：BTMAPAQ在不同CO2冲洗时间下的电池电压、pH值和CO2释放量
图2：透明微流控液流电池的设计与操作
图3：微流控电池中BTMAPAQ加合物的形成和荧光强度变化
图4：1, 5-BTMAPAQ在不同实验条件下的吸光度和发射光谱
图5：透明微流控液流电池的设计与操作
图6：微流控电池中BTMAPAQ加合物的形成和荧光强度变化
结论展望
本文通过对亲核性摆动机制与pH摆动机制的热力学与动力学分析，深入探讨了醌类分子在水相中的二氧化碳捕集过程，揭示了两种机制在不同条件下的相互作用与贡献。
研究表明，虽然亲核性摆动机制具有较强的热力学倾向，能够促使醌类分子与CO2形成加合物，但其反应速度较慢；而pH摆动机制则在动力学上占优，尤其是在不同溶液pH值条件下表现出明显的CO2捕集效果。通过引入两种创新的实验技术——基于电压信号差异的原位参比电极法和基于荧光显微镜的非侵入性实时监测方法，研究实现了对这两种机制贡献的精准区分，为未来的碳捕集技术提供了新思路。
特别是在实验中应用的荧光显微镜技术，能够以亚秒级时间分辨率实时追踪醌类分子的加合物变化，展示了其在研究类似碳捕集系统中的巨大潜力。这些技术不仅有助于加深我们对碳捕集机理的理解，还能为未来开发高效的碳捕集材料和工艺提供理论依据。
文献信息
Amini, K., Cochard, T., Jing, Y. et al. In situ techniques for aqueous quinone-mediated electrochemical carbon capture and release. Nat Chem Eng (2024).
来源：朱老师讲VASP
