在全球气候变化加剧的背景下，大气中CO2浓度持续攀升，直接空气捕集（DAC）技术作为应对气候变化的关键手段之一，成为科研与工业界的研究热点。传统DAC技术如Climeworks的固体胺吸附法和Carbon Engineering的碱性液体沉淀法，虽已进入商业化阶段，但存在显著缺陷，两种方法均依赖高温再生过程，能耗极高（308-440 kJ mol-1 CO2），远高于DAC理论最低能耗（19 kJ mol-1 CO2），且高温操作还伴随材料降解、挥发性强及规模化困难等问题。电化学介导CO2捕集（EMCC）技术凭借常温操作、可耦合可再生能源等优势，为解决传统技术痛点提供了新思路。其中，基于质子耦合电子转移（PCET）的pH摆动法，通过还原活性分子调控吸附液pH实现CO2的吸收与释放，展现出低能耗（30-130 kJ mol-1 CO2）、长稳定性（容量衰减率低于0.01%/天）等潜力。然而，该技术面临核心挑战——空气中的O2会氧化还原活性分子的还原态，导致能量效率下降、捕集容量受损，最终引发电池失衡，使其无法适用于高O2浓度的DAC场景。
二、【创新成果】
为突破这一技术瓶颈，国科大杭州高等研究院季云龙研究院、西湖大学王盼研究员和哈佛大学Michael J. Aziz教授等人联合在Nature Energy上发表了题为“Direct air capture of CO2 in an electrochemical hybrid flow cell with a spatially isolated phenazine electrode”的论文，开发了一种空间隔离电化学混合流动电池系统，首次在空气中稳定实现高效捕集CO2。与传统把活性分子溶解于溶液的思路不同，研究人员通过“固态化+空间隔离”设计，将PCET活性分子（吩嗪）固载于电极材料中，制备出不溶性的环状聚吩嗪硫化物（CPS），然后将其与多壁碳纳米管（MWCNT）复合，制成固体电极。由于电极与吸收液物理隔离，O2无法接触还原态CPS，从而避免了氧化副反应，而是在电极内部完成pH摆动，再借电解液转移碱性或酸性，实现CO2的捕获与释放。该策略不仅保持了高效率（库伦效率达99%），还能把能耗控制在73 kJ·mol-1（模拟烟气）与104 kJ·mol-1（DAC），接近行业前沿，为电化学捕集技术的工业化应用奠定基础。
三、【图文解析】
传统pH摆动系统中，还原活性分子溶解于吸附液，易与O2直接接触发生氧化反应。本研究通过“固体电极-流动电解液”分离设计，将还原活性材料与O2物理隔离。负极由负载CPS的碳纳米管组成，用于PCET反应，与吸附剂溶液在空间上隔离，以进行CO2捕获。
图1 混合流碳捕获装置示意图 © 2025 Springer Nature
图2 CPS-CNT电极的表征及CPS-CNT流电池的倍率性能 © 2025 Springer Nature
图3 CO2捕获–释放系统示意图及两种典型的CO2浓缩循环 © 2025 Springer Nature
图4 不同条件下的CO2捕集性能 © 2025 Springer Nature
四、【科学启迪】
综上，本研究通过“空间隔离还原活性材料”的创新设计，成功解决了电化学pH摆动法中O2氧化的核心难题，开发的CPS-CNT混合流动电池系统在模拟烟气（73 kJ・mol-1 CO2）与 DAC（104 kJ・mol-1 CO2）场景下均展现出低能耗、高稳定性的优异性能。该技术不仅为DAC提供了高效可行的新方案，其“隔离脆弱物种以抑制副反应”的设计思路，还可推广至其他电化学装置（如还原液流电池、电解水装置），为解决类似的材料稳定性与副反应问题提供参考。未来，随着材料优化、工程放大与系统集成的推进，该技术有望突破工业化瓶颈，成为实现“碳中和”目标的关键技术之一。
原文详情：Direct air capture of CO2 in an electrochemical hybrid flow cell with a spatially isolated phenazine electrode (Nature Energy 2025, DOI: 10.1038/s41560-025-01836-3)
本文由大兵哥供稿。
