当前环境中CO₂的浓度升高，带来了极端天气、温室效应、海平面上升等一系列恶劣气候问题。为了降低CO₂的浓度，从点源（如发电厂、化工厂等）或直接从环境空气中捕获CO₂被认为是一项极具发展前景的技术。传统的碳捕获技术主要是温度驱动的固态或液态胺捕集技术。该技术中涉及的多种吸附剂需要依赖温度或者压力驱动，通常是两分子胺类捕获一分子CO₂，捕获效率较低。此外，传统胺捕获技术还面临着高能耗、与现有基础设施复杂的热集成、吸附剂热降解、工艺设备腐蚀以及有毒胺类挥发分解等诸多问题，对绿色可持续性发展提出了巨大挑战。与之相比，新兴起的电化学碳捕获（Electrochemical Carbon Capture, eCC）技术可以与可再生电能耦合，在环境温度和压力范围内实现电化学CO₂捕获和释放，具有等温运行、操作条件温和、能量效率高、即插即用、易实现模块化发展等优势。使用具有高度可逆性和较高捕获效率的氧化还原活性分子作为捕获剂来实现电化学碳捕获与释放是目前被广泛研究的方向之一。

天津大学康鹏教授课题组在电化学捕集低浓度CO₂研究中取得重要进展。当前，从空气中高效电捕集CO₂面临多重核心挑战：首先，核心瓶颈在于空气中的CO₂浓度（约 420 ppm）远低于烟道气的10%-15%，这种极低浓度会严重限制CO₂的传质过程，导致空气捕集难以实现高效性；其次，现有成熟技术的适配性不足，适用于烟道气CO₂捕获的均相eCC体系，在空气捕集场景中大幅失效，即便通过提高活性分子浓度或延长捕获时间也难以满足实际应用需求；此外，虽非均相体系（如聚蒽醌负载碳纳米管）为空气捕集提供了可行方向，但该体系目前在捕集容量、循环稳定性上仍有明显短板，要实现高效应用，还需攻克电极界面稳定性、活性组分精准调控及避免界面副反应（如活性组分脱落、氧化失效）等技术难题。

针对均相eCC过程中存在活性组分溶解性差、易被氧化、易扩散、难实现极低CO₂浓度下的捕获及非均相eCC活性组分不稳定等问题，通过化学嫁接法设计了共价固载型吩嗪电极材料，并搭建了气相流动循环捕获体系，实现了极低 CO₂浓度（0.1%）下良好的电化学CO₂捕获释放性能。基于自身的氧化还原特性贡献的高能量存储和分子与羧基化碳纳米管之间的共价作用提供的稳定性，固载型吩嗪在气相循环流动装置中，表现出接近100%的CO₂释放/捕获效率，平均4.8 mmol CO₂  g^-1CO₂捕获容量和良好的循环稳定性。将具有氧化还原活性的分子固载形成工作电极，搭配合适的电捕获释放反应池有助于实现极低浓度下CO₂的捕获，也为进一步实现批量化电化学捕集提供了新的设计理念。

Figure 1. (a) CV curves of phenazine in Ar and CO₂ gas; (b) CV curves in CO₂ gas; (c) cyclic CV curves of phenazine in CO₂ gas; (d) evolution of in situ FTIR spectra of 5 mM phenazine recorded during the CV process; (e) evolution of in situ FTIR spectra without phenazine recorded during the CV process; (f) scheme of phenazine bonding with CO₂.

嗪类有机化合物是一种含有两个sp²杂化氮原子的芳香环状结构，具有良好的反应活性和稳定性。通过均相溶液中CV测试分析，吩嗪在惰性气体中表现出分步两电子转移过程，而在CO₂下表现出一个峰电流增加的归属于还原态和CO₂之间相互作用的还原峰，表明该分子初步具有电化学碳捕获的能力。与其他同类型分子相比，吩嗪表现出更正的半波电位，仅为-1.11 V vs Fc⁺/Fc，说明吩嗪在电捕获过程中需要输入的能量更小，更容易被还原。与此同时，吩嗪分子在均相溶液中表现出良好的可逆性。通过原位红外分析也进一步证明了吩嗪在电驱动下捕获/释放CO₂的行为。

Figure 2. (a-b) TEM images of OP-CNT; (c) EDS mapping of OP-CNT; (d) DTG curves of CNT and OP-CNT; (e) FT-IR spectra and (f) high-resolution N 1s spectra of supported capture agents.

通过简单的化学接枝法制备了共价固载型吩嗪电捕获剂。TEM、FT-IR、XPS等表征手段可以进一步证明吩嗪分子成功接枝到碳纳米管表面，并在碳纳米管表面均匀分布。

Figure 3. (a) CV curves of OP-CNT and CNT in Ar gas; (b) CV curves of OP-CNT; (c) CV curves of OP-CNT at 1^st and 100^th cycle; (d) Discharge/charge curves and (e) electrochemical CO₂ release capacity at 0.5 mA cm^-2 under high pure CO₂ in a single-cell; (f) electrochemical CO₂ release capacity of OP-CNT at different current density under 15% CO₂ atmosphere.

固载型吩嗪表现出不同于CNTs的电荷存储行为。除了典型了双电层电容外，固载型吩嗪还表现出以氧化还原波为代表的法拉第电荷存储，表现出典型的、可逆的氧化还原信号，提供了明显增加的电荷存储容量。在三电极体系的单室池中，通过CV曲线分析了固载型电捕获剂的电化学活性载量，OP-CNT的载量为4.4 wt%，通过对比CO₂和Ar中的氧化还原信号，发现固载型吩嗪在CO₂下的氧化还原峰正向偏移、可逆性高，具备电捕获CO₂的潜力；对比在高纯CO₂和15% CO₂浓度下电化学CO₂捕获性能发现，OP-CNT的最佳碳捕获能力约是NH₂-CNT的两倍。

Figure 4. (a) Schematic diagram of a flow electrochemical CO₂ capture and release device; (b) CV curves of OP-CNT and LiFePO₄ at 50 mV s^-1; (c-f) the electrochemical CO₂ capture/release performance of OP-CNT at 0.2 mA cm^-2 in an atmosphere of about 1000 ppm CO₂.

二氧化碳的溶解度和扩散性对捕获效率有着关键影响，尤其是在二氧化碳浓度较低的情况下。在均相静态液相池中，二氧化碳浓度梯度差异是质量传输的主要驱动力。为了在接近环境浓度条件下捕获二氧化碳，我们搭建了一种用于低浓度（约 0.1%）二氧化碳捕获的气相循环流动电捕获装置，利用气体循环系统来缓解二氧化碳的质量传输限制。OP-CNT在气相流动循环装置中表现出良好的电化学氧化还原可逆性和稳定性，CO₂释放/捕获效率接近100%，平均容量为4.8 mmol CO₂ g^-1。吩嗪的可逆电化学行为和分子与碳纳米管之间的共价作用，结合有效缓解低浓度CO₂质量传输限制的循环装置，共同促使OP-CNT在低浓度CO₂中表现出良好的电化学碳捕获释放性能和循环稳定性。

Covalently Supported Phenazine for Electrochemical Capture of Low Concentration CO₂. ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, 5c12231. https://doi.org/10.1021/acsami.5c12231