东华大学校友一作！他，继Science/Nature之后，再发Nature子刊！

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-09-13 08:30

正文

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研究背景

电化学CO ₂ 捕集作为一种新兴的脱碳方法，因其利用电化学过程驱动CO ₂ 捕集和释放的潜力，逐渐成为研究热点。然而，这一技术面临电极材料结构和充电协议对捕集性能影响的不确定性问题。传统的CO ₂ 捕集方法，如胺基溶剂或固体吸附剂，存在能效低和材料寿命短等挑战，这促使研究者探索更高效的电化学方案。超级电容器作为电化学CO ₂ 捕集的候选技术，虽然具有长循环寿命、高能效和快速充电等优点，但其CO ₂ 捕集容量相对较低且对氧气的耐受性不明。

成果简介

为了解决这些问题， 剑桥大学Alexander C. Forse团队 在Nature Communications期刊上发表了题为“Enhancing electrochemical carbon dioxide capture with supercapacitors”的最新论文。研究者们开发了不同结构的电极材料，并优化了充电协议。通过对超级电容器电极结构与CO ₂ 捕集性能的关系进行研究，发现具有大表面积和低氧官能化的电极通常表现最佳，并且微孔和介孔的组合对实现快速CO ₂ 捕集速率至关重要。

特别是，YP80F活性炭电极在优化充电条件下表现出最佳的CO ₂ 捕集性能，其捕集速率达到350 mmolCO ₂ kg ^–1 h ^–1 ，电能消耗低至18 kJ molCO ₂ ^–1 ，且在长达12000次循环中无显著降解。该研究为提高超级电容器在电化学CO ₂ 捕集中的应用性能提供了新的思路和方向。

值得一提的是，本文第一作者Zhen Xu是东华大学校友；

2024 年4月 18 日 剑桥大学Alexander C. Forse教授团队在今年5月初在Science期刊 上发表了题为“Structural disorder determines capacitance in nanoporous carbons”的论文，引起了不小的关注！

2024年6月5日，研究工作在 Nature 上发表题为“ Capturing Carbon Dioxide from Air with Charged Sorbents ”研究论文。

研究亮点

1. 实验首次开发了超级电容器电极结构与充电条件下的CO ₂ 捕集性能的关联模型，揭示了电极表面积、孔径分布和氧官能团对CO ₂ 捕集性能的影响。结果显示，大表面积和低氧官能化的电极在CO ₂ 捕集性能方面表现最佳，而微孔与介孔的组合对实现快速CO ₂ 捕集速率至关重要。

2. 实验通过优化YP80F活性炭电极的结构和充电协议，得到了显著的CO ₂ 捕集性能。 具体而言，该电极在纯CO ₂ 环境下实现了每千克电极170 mmol的CO ₂ 吸附容量、每小时350 mmol的CO ₂ 吸附速率，以及低于20 kJ/mol的电能消耗，并且在12000次循环中无显著降解，表现出优异的CO ₂ 选择性。

3. 实验还发现，通过在“正向充电模式”下操作超级电容器，可以有效抑制氧还原反应 ，实现了在混合气体条件下的稳定循环性能（1000次循环，库仑效率超过99.8%）。这些结果表明，改进的电极结构和充电协议有望大幅提升电化学CO ₂ 捕集的效率。

图文解读

图1：超电容器用于电化学二氧化碳捕集的示意图。

图2：电极充电协议对电化学二氧化碳捕集的影响。

图3：电极结构对电化学二氧化碳捕集的影响。

图4: 展示电化学二氧化碳捕集在实际应用中的潜力。

结论展望

本文的研究揭示了超级电容器在电化学CO ₂ 捕集中的潜力及其关键因素，为未来的电池技术提供了重要启示。

首先，研究表明电极的表面积、孔结构以及氧官能团的含量显著影响CO ₂ 的捕集性能。具体而言，较大的表面积和合理的微孔与介孔组合有助于提高捕集速率和容量，同时低氧官能化有利于优化热力学性能。这些发现指出了设计高效电极材料的方向，即优选具有高表面积和适当孔结构的碳材料，并减少氧官能团的含量。

东华大学校友一作！他，继Science/Nature之后，再发Nature子刊！

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