通过具有可调气体选择通道的噻二唑类氧化还原载体实现高效电化学空气捕获

为什么从稀薄空气中捕获碳至关重要

燃烧煤、石油和天然气已向大气中排放大量二氧化碳（CO2），推动了气候变化。即便我们清洁了发电厂和汽车，仍然需要将 CO2 从空气中实际拉出来的方法。本文报道了一种新型“电化学海绵”，它可以利用电力直接从常见空气中捕获 CO2，并按需释放，能量损耗极小且能在含氧和潮湿的苛刻环境下稳定工作。

一种新型的电驱动碳海绵

研究人员聚焦于一种称为电化学直接空气捕获的策略，其中靠近电极的特殊分子在施加小电压时会改变行为。处于中性状态时，这些分子几乎不与 CO2 相互作用。但当电极向它们供电子时，它们会成为强结合体，从周围空气中锁定 CO2。反向施加电压会使它们释放，产生可存储或转化为有用化学品的浓缩 CO2 流。团队设计了一种基于称为 BPT 的环状结构的新型捕获分子，该结构能将进入的电子在扩展的框架上分散开来。这种调控使其既能在极低浓度下对 CO2 产生足够强的结合力，又能在释放气体时不需要过高的能量。

防止氧气破坏过程

实际空气不仅含 CO2 与氮气——还包含大量氧气和一定水汽，这两者都可能损伤捕获分子或抢占本应用于 CO2 的电子。许多早期系统需要经过严格净化的气流或会发生快速失效。BPT 设计通过分散电子密度已能在一定程度上降低其被氧气攻击的脆弱性。但关键进展是将 BPT 与工程化气体渗透层（GPL）配对，该层由富含醚氧基团的聚合物制成。这层薄涂层位于空气和 BPT 层之间，充当选择性闸门：CO2 相对容易通过，而氧气的通路被减慢并受限。

偏好二氧化碳的通道

为理解为何该闸门偏向 CO2，作者使用了气体渗透测量和分子模拟。聚合物的化学基团对略具极化性的 CO2 分子有比对非极性的氧更强的吸引力。模拟显示，CO2 与这些基团的相互作用更频繁且更强，从而赋予其在层内更高的溶解度和更快的迁移速度。尺寸也起作用：CO2 比 O2 略小，更容易穿过聚合物的纳米级间隙。综合这些效应，形成了在 BPT 分子所在位置富集 CO2 的气体选择性通道，同时维持低氧微环境以抑制不希望的副反应。

在真实空气条件下的性能

在模拟运行设备的流动池测试中，复合的 BPT–GPL 电极多次从含约 400 ppm CO2 和 21% 氧气的大气中捕获 CO2。在 48 个充放电循环中，其捕获容量保持在每克 BPT 约 3.3 毫摩尔 CO2，几乎没有分子分解的迹象。电气效率维持在约 80%，且系统在使用潮湿空气时仍能良好运行，尽管在非常高湿度下效率会逐渐下降。与缺乏保护性 GPL 涂层的类似电极相比，BPT–GPL 版本随时间的容量损失明显更小，证明气体选择性涂层可以保护活性分子免受氧气损伤。

对未来碳去除的意义

这项工作证明了将定制捕获分子与智能气体过滤层谨慎配对，可以改变我们从普通空气中提取 CO2 的方式。BPT–GPL 系统表明，可以构建一种电驱动的空气捕获装置，兼具高效、可反复逆转，并能在氧气和潮湿存在下保持稳健。通过进一步工程优化与规模化，类似架构可以直接连接到可再生电力与下游 CO2 转化单元，将过剩的大气碳转化为燃料或化学品，助力社会迈向真正的净零排放。

引用: Hou, J., Cheng, Y., Yan, T. et al. High-efficiency electrochemical air capture enabled by thiadiazole redox carrier with tunable gas-selective channels. Nat Commun 17, 3629 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70444-w

关键词: 直接空气捕获, 电化学 CO2 捕获, 气体选择性膜, 氧化还原载体, 碳去除