近日，我所能源催化转化全国重点实验室纳米与界面催化研究中心（502组群）包信和院士、高敦峰研究员、张国辉副研究员等与复旦大学汪国雄教授合作，在二氧化碳（CO2）电催化转化方面取得新进展，利用离聚物调控催化反应微环境，实现了碳酸氢盐介导的高效CO2捕集-电解一体化制CO，为低能耗、大规模的工业烟道气CO2资源化利用提供了新思路。
工业烟道气CO2捕集与转化是实现国家“双碳”目标的关键路径。传统工艺通常采用“捕集-释放-压缩-电解”的串联路线，流程复杂、能耗和成本高。碳酸氢盐介导的CO2捕集-电解一体化路线是一种新兴的反应性碳捕集（Reactive carbon capture，RCC）技术。该路线将CO2的捕集过程与电催化转化过程耦合，可降低获取高纯CO2原料气的能耗和成本，但如何实现高效的碳酸氢盐捕集液电解是制约其走向实际应用的瓶颈。
在本工作中，研究团队利用离聚物修饰酞菁钴（CoPc）电极来调控催化反应微环境，从而提高了碳酸氢盐电解性能。在基于阳离子交换膜的零间隙电解器中，全氟磺酸树脂修饰的电极（CoPc-Nafion）在3.09 V的低电解电压下实现了410 mA/cm²的CO分电流密度。该电解性能与使用高纯原料气的CO2电解相当。电极结构表征和有限元模拟结果表明，全氟磺酸树脂的质子传导性提高了CoPc催化剂附近原位生成CO2（in situ generated CO2）的局部浓度，从而实现了优异的碳酸氢盐电解制CO性能。团队进一步利用CoPc-Nafion电极和模拟烟道气展示了捕集-电解循环过程，凸显了碳酸氢盐介导的CO2捕集-电解一体化路线的应用潜力。
相关研究成果以“Ionomer-Driven Reaction Microenvironment Control in Bicarbonate-Mediated Integrated CO2 Capture and Electrolysis”为题，于近日发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。该工作的第一作者是我所523组与复旦大学联合培养博士研究生荣佑文。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院B类先导专项“能源电催化的动态解析与智能设计”、辽宁滨海实验室、辽宁省兴辽英才计划、大连市杰出青年科技人才支持计划、我所创新基金等项目的支持。（文/图 高敦峰、荣佑文）
