传统 CO₂ 捕集技术如胺溶液吸收依赖大量热能再生步骤，能耗高、成本大，难以满足碳中和时代的需求。近年来，电化学 CO₂ 捕集（electrochemical CO₂ capture, eCC） 正快速崛起：只需要通电就能实现 CO₂ 的可逆吸附与释放。

而最新发表于 JACS（2025） 的这篇工作中，剑桥大学 Forse 团队首次证明：

👉 共价有机框架（COF）也能用于电化学 CO₂ 捕集！利用 COF 中的蒽醌（AQ）单元，可以实现高容量、高稳定性的电化学CO₂ 捕集，为该领域打开了新材料体系的大门。

一、研究背景

 

目前电化学吸碳最常用的材料是醌类分子。它们在低电位可被还原形成酚盐，进而与 CO₂ 形成加成物，实现可逆吸附。不过：

• 分子醌易溶解，难固定
• 负载到碳材料上常常存在 活性位点不均匀、利用率低、稳定性差
• 导电性差也限制电化学反应动力学

COF 则恰好能解决这些问题：

✨ 结构规整：大量、有序、可设计的蒽醌位点
✨ 高孔隙度：利于 CO₂ 与离子传输
✨ 可调导电性：可复合 CNT 增加电子路径
✨ 元素组成绿色（C/H/N/O），可持续性好

作者假设：

🌟 把蒽醌“编织”进 COF 中，可实现高密度活性位点 + 高稳定性 + 高效率的电捕集体系。

二、研究目标

 

1. 构建蒽醌 COF 电极，实现电化学 CO₂捕集
2. 理解捕集机理：是“直接电化学加成”，还是“pH swing”？
3. 对比不同电解质体系：离子液体 vs 水溶液
4. 提升活性、稳定性、能耗等关键应用指标

 

三、研究方法

 

研究重点在两套体系中考察 AQCOF：

1️⃣ 在离子液体 [Bmim][TFSI] 中测试 AQCOF 电捕集性能

• 组装两电极电化学气体电池
• 通过压力传感器实时监测吸/脱附 CO₂

2️⃣ 通过 CNT 复合（AQCOF@CNTs）提升导电性

提高电子传输 → 提高蒽醌电化学利用率

3️⃣ 将体系切换为水溶液（1 M Na₂SO₄）

测试是否可以获得更稳定、更高效的 CO₂ 捕集表现

4️⃣ 多技术验证捕集机理

• CV（循环伏安）
• 化学还原 + CO₂加成
• FTIR
• 缓冲溶液抑制 pH swing

最终明确 CO₂ 捕集主要机制。

 

四、主要研究结果

✅ 1. AQCOF 真的能通过“通电”捕捉 CO₂

在给电极施加负电位时观察到明显的 CO₂ 压力下降，证明蒽醌单元可逆捕获 CO₂。
放电后压力回升，对应 CO₂ 释放 → 体系可逆运行。

⚡ 在最佳条件下（离子液体 + CNT 复合材料）
👉 CO₂ 捕集容量达到 >2.6 mmol g⁻¹（单克 COF）
远超已有的醌功能化碳材料。

 

✅ 2. COF@CNT 复合极大提高了电活性

CNT 引入后蒽醌的电化学可达性大幅提升，电荷容量从 0.5 e⁻ 提升到约 1 e⁻/AQ 单元。

✔ 3. 电解质转换为水溶液，性能全面跃升

当体系换成 1 M Na₂SO₄ 水溶液 后，作者惊喜发现：

• 捕集容量从离子液体的 ∼2 →0.8 mmol g⁻¹（提升 4 倍）
• Coulombic efficiency 达到 6%
• 能量消耗仅 31 kJ mol⁻¹（非常低）
• 500 周期无衰减，几乎完美稳定性

相比之下，离子液体体系仅 100 周期就衰减了 60%。

✔ 4. 验证捕集机理：直接加成 + pH swing 共存

（1）直接电化学 CO₂ 加成机制成立

🔬 化学还原 AQCOF 后曝 CO₂ → 出现碳酸盐特征峰（1650 cm⁻¹）
FTIR 与分子蒽醌–CO₂ 加成一致
→ 证明电化学还原后的 AQ 单元确实“抓住” CO₂

（2）水体系存在部分 pH swing 贡献

使用磷酸盐缓冲液抑制 pH 变化后 CO₂ 捕集量下降 0.1 mmol g⁻¹
说明水体系中：

• 高电压区：直接红氧捕集 为主
• 低电压区：出现部分 表面 pH 改变引起的 CO₂吸附

五、总结与展望

 

这篇 JACS 文章首次证明：COF 可以作为新一代电化学 CO₂ 捕集材料。

 

研究亮点包括：

• 高密度蒽醌位点 → 高捕集容量
• 与 CNT 复合 → 提升电导、增强利用率
• 水溶液体系表现远优于离子液体
• 多技术确认捕集机制（直接加成为主）
• 长循环性能极佳，能量消耗低

 

未来方向值得关注：设计更耐氧的 COF 红氧材料（目前蒽醌对 O₂ 敏感），提高 CO₂ 结合/释放动力学，构建流动电化学捕集系统及结合生命周期评估与经济分析这项工作为 COF 电化学应用提供了新的研究启示。

 

文案&审核：小C

编辑：小w

文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c12304