在碱性体系中进行电催化CO₂还原反应（CO₂RR），有利于抑制氢析出竞争反应。然而，CO₂与OH⁻反应的碳酸化过程，会带来两个严重问题：其一，当采用溶液电解质时，该过程会导致阴极气体扩散电极出现“盐析”现象，阻碍CO₂传质；其二，反应产生的CO₃²⁻或HCO₃⁻会通过电迁移到达阳极、并再次转化成为CO₂，与阳极氧析出反应（OER）产生的O₂一起排放，造成大量的跨膜碳损失。在实际应用中，CO₂捕集与分离不仅能耗巨大，而且成本高昂。所以，要提高碱性CO₂电解转化的整体经济性，就必须解决跨膜碳损失这一难题。

近日，武汉大学 庄林/王功伟 团队创新性地提出了一种氧化还原介导耦合CO₂电解策略。通过引入一对氧化/还原高度可逆的电对，将阴极CO₂RR和阳极OER分离到两个膜电解器中进行。如此不仅能够确保阴极处于电极/碱性聚合物电解质（纯水）催化界面，从而具有高CO₂RR选择性、同时避免电极“盐析”失活；并且能够有效回收跨膜传输的CO₂气体，避免碳损失。

研究中选用了蒽醌-2,7-二磺酸（AQDS）作为氧化/还原媒介，主要基于如下原因：一是AQDS 具备优异的电化学可逆性和较高的溶解度；二是其氧化/还原电势处于 CO₂RR 和 OER 之间；三是AQDS分子尺寸大，不会跨膜扩散，可以避免对CO₂RR 和 OER造成干扰。

基于此，利用AQDS构筑氧化/还原介导耦合CO₂电解系统，采用在线气相色谱分析阴极CO₂RR选择性、在线质谱监测跨膜CO₂气体排出情况。在100 ~ 200 mA/cm²电流密度下，阴极CO₂RR制备CO的法拉第效率稳定在90%左右，与CO₂-纯水膜电解器的性能相近。通过定量测定阳极CO₂气体排出流速，确定了不同条件下碱性膜中传导的离子种类。另外，在100 mA/cm²连续运行时，耦合电解系统的CO选择性和电解槽压保持稳定。质谱监测结果显示，跨膜CO₂的离子电流信号先逐渐增长、然后趋于稳定，同时H₂和O₂的离子电流信号基本不变，这表明AQDS能够有效避免副反应发生。最终，通过气球回收得到一定体积的CO₂气体。

研究结果验证了氧化还原介导耦合CO₂电解的可行性，将跨膜CO₂排放与阳极O₂析出过程从空间上进行分离，实现高纯度CO₂的回收、避免碳损失，有望推进碱性CO₂电解的实际应用。

Redox-Mediated CO₂ Electrolysis for Recovering Transmembrane Carbon Loss

Xinhui Yu, Liwei Xue, Yiheng Liao, Li Xiao, Gongwei Wang,Lin Zhuang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202502420