原《天然气化工—C1化学与化工》，经国家新闻出版署批复更名为《低碳化学与化工》。
作者简介
胡博，女，沈阳大学化学实验室实验师，研究方向为物理化学电化学，发表论文4篇。
李锋（1974—），博士，教授，研究方向为电化学，E-mail：syufengli@126.com。
电化学技术在二氧化碳捕集与转化中的研究进展
（沈阳大学 理学院，辽宁 沈阳 110044）
摘 要 由于全球气候变化带来的严峻挑战，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术成为化工行业绿色转型的关键。电化学技术以其高效能量转换和环境友好性，在二氧化碳（CO2）捕集与转化中展现出巨大潜力，但其在工业规模应用中仍面临诸多挑战。综述了电化学介导的CO2捕集技术（EMCC）和电化学CO2转化技术（ECCT）的最新进展，系统分析了吸附剂优化、电极材料选择、反应器设计创新以及多技术耦合集成应用对提升CO2捕集效率、产物选择性和系统稳定性的作用。分析发现，尽管电化学技术在CCUS领域具有优势，但在材料稳定性、系统集成复杂性和成本控制等方面仍需进一步突破。未来研究应聚焦于开发高效稳定的材料、优化系统集成策略和降低应用成本，并探索电化学技术与其他CCUS技术的协同效应，以实现其在工业规模上的广泛应用和加快产业化进程，为低碳化工和环境可持续性提供有力支撑。
关键词 CO2捕集与转化；电化学技术；CCUS；电催化
在全球气候变化挑战下，低碳化工已成为化工行业转型的关键方向 [1] 。低碳化工正推动传统化工行业提高能源效率并采纳清洁技术，以减少对化石燃料的依赖，并同时探索新的生产方式以减少碳足迹。在此背景下，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被认为是实现深度碳减排的关键技术之一 [ 2-5] 。CCUS技术通过捕集工业过程或燃烧化石燃料产生的二氧化碳（CO 2 ），然后将其转化为有价值的化学品或燃料，或安全地封存于地下，从而有效减少温室气体排放。电化学技术作为CCUS技术体系中的重要组成部分，其在低碳化工中的应用正受到越来越多的关注 [6] 。电化学过程能够在原子经济性高、副产品少的条件下，将电能直接转化为化学能，为CO 2 捕集、转化和封存提供了一种高效且环境友好的解决方案 [ 7-8] 。例如在CO 2 捕集方面，利用电化学电池或电化学传感器，能够实现CO 2 的高效分离和纯化 [9] 。在CO 2 转化方面，电化学技术能够将CO 2 转化为有价值的化学品和燃料，如甲醇、甲烷等 [10] 。
尽管电化学技术在CCUS领域展现出巨大潜力，但其实际应用仍面临一系列技术挑战。目前，电化学技术在CCUS中的应用取得了一些进展，如LIU等 [11] 通过采用高盐浓度水性电解质，实现了CO 2 的高效电化学分离，有效提升了醌类化合物的CO 2 捕集性能。其中，高盐浓度水性介质不仅扩展了电化学窗口，减少了蒸发损失和材料溶解，还有效抑制了CO 2 还原反应的竞争反应。但在实际应用中，系统复杂性增加，需要更精细的控制和维护以确保长期稳定运行。HU等 [12] 通过使用零间隙膜电极组件架构，实现了从CO 2 到甲酸的高效电化学转化。原创的穿孔阳离子交换膜使该体系无需阳极和阴极之间的额外间隔层，能够在2 V电压和300 mA/cm 2 电流密度下实现大于75%的法拉第效率。尽管如此，与传统甲酸生产方法相比，电化学转化成本仍然较高，需要通过技术改进和规模化生产来进一步降低成本。将电化学转化技术从实验室规模有效集成并放大到工业规模，并保持高效率和产物选择性，仍是亟待解决的技术难题 [13] 。此外，电化学技术在CCUS领域的实际应用还面临其他挑战，如吸附剂和催化剂的稳定性提升、反应器设计优化，以及能量转换效率提升等。这些问题限制了电化学技术在CCUS领域的更广泛应用和产业化进程。
本文将系统梳理电化学介导的CO 2 捕集技术（EMCC）和电化学CO 2 转化技术（ECCT）的基本原理和最新进展。深入探讨EMCC和ECCT的核心机制，揭示其在CO 2 捕集与转化中的关键作用。并重点分析吸附剂优化、反应器设计创新等关键环节，以提升电化学过程的效率和稳定性。此外，介绍电化学传感器的应用及多技术集成策略，以实现成本效益和环境可持续性。针对电化学技术在CCUS领域中的实际应用问题，提出潜在的未来研究方向，以期促进其在CO 2 捕集和转化领域的创新和应用，为低碳化工和环境可持续性提供科学依据。
1EMCC
EMCC具有能量效率高和与环境兼容的优势，逐渐成为研究与工业应用的热点 [14] 。EMCC通过电化学手段直接调控CO 2 的吸附与脱附过程，不仅可实现CO 2 的高效捕集，还具备与可再生能源直接集成的潜力，为低碳化工和环境可持续性发展提供了新的技术路径。
1.1 EMCC的电化学吸附与脱附机制
EMCC作为一种新型碳捕集策略，其核心机制是通过电化学电池中的电位变化来调节吸附剂的CO 2 吸附性能 [15] 。吸附剂（通常为含有氧化还原活性基团的分子）在电极上经历氧化和还原反应，从而改变其CO 2 亲和力。EMCC过程示意图见 图1 。由 图1 可知，吸附剂在还原状态下对CO 2 吸附性能增强，可有效在阴极捕集CO 2 ；而在阳极氧化状态下则释放CO 2 。通过电化学方法直接调控CO 2 吸/脱附过程，实现CO 2 的高效捕集和释放 [16] 。在此过程中，吸附剂的效能对CO 2 捕集效率具有决定性影响，而电池材料的电导性能与稳定性则是确保电子流畅传输及吸附剂持续稳定运作的关键。两者共同作用，决定了EMCC的整体效能与可靠性。
▲ 图1 EMCC过程示意图
1.2 吸附剂与电池材料对EMCC的影响
1.2.1 吸附剂的选择与优化
在CCUS领域，EMCC对吸附剂的性能要求极高，不仅需要具备高CO 2 选择性和大吸附容量，还要在电化学环境中展现出良好的稳定性与可再生性 [17] 。近年来，研究者们基于化学成分和结构特性，开发了多种类型的吸附剂，例如金属有机框架（MOFs）和胺功能化吸附材料，以提高CO 2 捕集效率并降低能耗。
MOFs因其具有大比表面积、高孔隙率、可调节的孔结构、配体设计性和易修饰性等特点，是一种有前途的CO 2 吸附剂，尤其在电化学CO 2 捕集反应中展现出良好的性能 [18] 。BAGHERI等 [19] 通过绿色蒸汽辅助干凝胶技术合成了ZIF-8和ZIF-67，优化了MOFs的形态和结构，从而提高了其在电化学CO 2 捕集中的性能和稳定性。在电解液为2 mol/L KHCO 3 溶液、电压为-1.2 V vs . RHE（RHE为可逆氢电极）条件下，ZIF-8的CO法拉第效率高达59%，且合成气中 n (CO): n (H 2 )可调。QUAN等 [20] 采用直接纺丝技术制备了二胺功能化MOF/PES中空纤维吸附剂，在模拟干烟气条件下表现出良好的CO 2 捕集性能。40 ℃时，该吸附剂的CO 2 吸附量在低压下为3.0 mmol/g，在高压下为2.5 mmol/g。通过温度摆动，吸附过程的质量传递速率更快、压降更低，具有工业化应用潜力。尽管MOFs因其高孔隙率和可调节的孔结构展现出巨大的应用潜力，但在水稳定性和电化学过程中的应用仍面临挑战。特别是在电化学还原实验中，一些MOFs可能会结构坍塌，导致其活性位点隐藏或改变，进而降低CO 2 还原活性。HUANG等 [21] 系统探讨了MOF基吸附剂在EMCC中的应用（ 图2 ），并指出纯MOFs能具备高吸附活性的关键因素是其暴露的活性位点。然而，大多数MOFs稳定性较差，不能直接用于EMCC。因此，为了提高MOFs的稳定性，通常需要通过高温煅烧或掺杂等方法，将MOFs转化为MOFs衍生材料或MOF基复合材料。这种转化不仅可以增强MOFs的水稳定性，还能保持其在CO 2 捕集中的高吸附活性，使其在实际应用中更具可行性。
▲ 图2 MOF基吸附材料[21]
氨功能化吸附剂结合了液相胺的高选择性和固体吸附剂的成本效益，在CO 2 捕集方面具有应用潜力 [22] 。SEO等 [23] 报道了一种电化学活性胺系统，该系统在水溶液中通过电化学还原-氧化循环实现了高效的CO 2 捕集和释放，其电子利用率较高（1 mol电子捕集1.25 mol CO 2 ）。MAO等 [24] 提出了基于高容量聚胺溶剂的电化学介导胺再生系统，在电流密度为0.01 A/cm 2 时，CO 2 解吸能耗为36.67 kJ/mol，低于传统乙醇胺基热解吸能耗（40~80 kJ/mol），表明电化学介导胺再生系统在CO 2 捕集中具有低能耗优势。WANG等 [25] 系统探讨了胺功能化硅基吸附剂的吸附行为，胺与硅基载体结合的3种主要途径分别为物理浸渍、化学接枝和原位聚合（ 图3 ），且胺负载量与CO 2 吸附容量之间存在非线性关系，过量胺负载会导致吸附剂孔道堵塞，吸附性能下降。因此在设计胺功能化吸附剂时需要考虑胺类型和负载量，以实现最佳的CO 2 捕集效率。
▲ 图3 胺与二氧化硅载体结合的主要途径[25]
综上所述，吸附剂选择对EMCC至关重要。MOFs等新型吸附剂因其独特的结构特性，在提升CO 2 捕集效率和降低能耗方面具有优势，但仍存在水稳定性和电化学稳定性差的问题。胺功能化吸附剂具有CO 2 选择性较高和吸附成本较低的优势，结合电化学方法可实CO 2 高效捕集与释放，但其稳定性和循环寿命有待进一步优化。未来研究应致力于开发兼具高吸附性能和良好稳定性的吸附剂材料，并探索更高效的吸附剂再生方法，以促进EMCC规模化应用。
1.2.2 电池材料的设计与调控
电池材料性能优劣关乎EMCC的电化学反应效率和系统稳定性。电池材料主要包括电极材料、电解质等关键组成部分。电极材料是电化学反应的核心载体，理想的电极材料应具备良好的电导性和化学稳定性，以确保吸附剂能够顺利完成氧化还原循环 [26] 。GUO等 [27] 开发出了一种多孔聚合物电极，该电极通过增强CO 2 传输效率提升了电化学CO 2 捕集性能。这种多孔结构不仅增大了电极比表面积，有利于CO 2 与电极接触，还促进了电子传输，活性位点利用率约为90%。在模拟实际工况条件下，该电极法拉第效率约为97%且稳定性良好，1 m 3 电极能从低浓度CO 2 （400 × 10 -6 ~2000 × 10 -6 ，体积分数）气体中每天捕集约30~78 kg CO 2 。ZHANG等 [28] 基于原位氧化羰基化策略开发出了一种醌基改性碳纳米纤维覆盖的新型电极材料。在部分电流密度为400 mA/cm 2 时，乙烯法拉第效率达到62.9%，并在部分电流密度为295 mA/cm 2 时，半电池能量效率为35.4%。通过原位光谱学和理论计算，发现了醌基团与CO 2 之间存在特异性相互作用，增强了CO 2 吸附性能，并增大了局部CO覆盖度。醌基团的存在有效抑制了H 2 在铜表面活性位点上的共吸附，降低了C—C耦合反应的能量障碍，并减缓了随后的CO质子化过程，从而提高了电化学转化的选择性和效率。
电解质作为电化学反应的介质，其组成和性质直接影响电极反应的进行和产物选择性。LI等 [29] 总结了胺基电解液在CO 2 捕集和电化学转化中的双功能作用。通过胺分子的碱性特性与CO 2 发生反应，生成碳酸盐或碳酸氢盐，实现CO 2 有效捕集。同时，胺分子作为质子和电子的供体，促进了CO 2 向高价值化学品或燃料（例如乙烯）的电化学转化。此外，作者还发现1,3-丙二胺体系相较于单乙醇胺（MEA）体系，在-1.2 V vs . Ag/AgCl电位下，CO 2 溶解度提升了58.1%，法拉第效率提高了10.6%，电流密度增大了52.1%。HU等 [30] 发现通过优化电解质组成，可以提高TiO 2 纳米管阵列的电化学性能。以PVA-Na 2 SO 4 为电解质时，TiO 2 纳米管阵列的比面积电容为4.05 mF/cm 2 ，而以PVA-KOH为电解质时，TiO 2 纳米管阵列的比面积电容提高至27.6 mF/cm 2 。此外，经过10000次充放电循环后，TiO 2 纳米管阵列在PVA-Na 2 SO 4 和PVA-KOH电解质中的电容保持率分别为88%和87%，显示出良好的循环稳定性。
总体而言，电池材料的性能关系到EMCC的电化学反应效率和稳定性。其中，新型电极材料和电解质的创新协同促进了CO 2 的有效捕集和转化。但要实现从实验室到工业化的应用，还需进一步探索电池材料的长期稳定性、成本控制以及各材料间的协同效应，以确保整个系统的高效稳定运行。
1.3 EMCC的应用研究与实践
1.3.1 实验室规模的电化学捕集研究
在科学研究与技术开发的进程中，实验室搭建的电化学捕集系统是不可或缺的关键平台。这些系统配备有小型电化学电池，可灵活调整关键操作参数（电压、电流、电解质浓度及pH值）以优化CO 2 捕集效率。LI等 [31] 在实验室合成了一种新型充电吸附材料PCS-OH，该材料采用电化学方法在活性炭孔隙中富集OH - ，可从空气中快速捕集CO 2 。在压力为40 Pa、温度为25 ℃条件下，PCS-OH的CO 2 捕集容量为(0.26 ± 0.06) mmol/g，其CO 2 吸附性能在包括活性炭在内的5种对照样本中表现最佳。通过实验室单元的持续运行，WANG等 [32] 验证了电化学介导的胺再生过程在捕集CO 2 方面的稳定性和有效性。结果表明，系统连续运行200 h完成了130次吸/脱附循环，具有良好的稳定性。热力学分析表明，电化学介导的胺再生过程能耗与传统胺法相当，但其灵活性和可扩展性增强。通过优化过程设计和溶剂配方，电化学捕集技术的能耗有望进一步降低至40~45 kJ/mol。这些工作为深入理解并改进电化学捕集机制奠定了数据基础，也为实现高效CO 2 捕集与转化提供了新的研究路径。
1.3.2 工业应用中的挑战与前景
在工业规模的电化学捕集系统的应用中，面临的挑战主要涉及大规模生产可行性、系统集成复杂性以及成本控制策略。这些系统必须在维持高效率的同时，实现对CO 2 大规模捕集与释放。ISOGAI等 [33] 提出了一种新型基于胺的电力到热能的后燃烧CO 2 捕集系统（ 图4 ），该系统利用电网中波动电价来实现降本增效。在电力需求高峰时段（电价高），电厂烟气从吸收塔底部进入，而低CO 2 浓度的胺溶液从塔顶进入以捕集烟气中CO 2 。随后，高CO 2 浓度的胺溶液被暂时储存。在电价较低时，系统利用电力购买低成本电力，并运用热泵将电能转换为热能，以促进CO 2 解吸。该方法在电力需求高峰期可最大化电厂的电力输出，降低了CO 2 捕集成本。该研究验证了在电力市场价格频繁波动中，尤其是在可再生能源渗透率提高的背景下，工业规模电化学捕集系统的潜在盈利能力。WANG等 [34] 对电化学介导的胺再生过程进行了技术经济性分析，发现通过优化脱附压力和利用废热等方法，胺再生过程的CO 2 捕集成本可以降低至50 USD/t以下。此外，研究还指出膜成本是影响电化学分离成本的关键因素，通过改进过程设计、电池构建和溶剂配方，有望进一步降低成本。
▲ 图4 具有溶剂储存的电转热胺基PCC系统[33]
随着技术不断进步和成本降低，电化学捕集技术有望在未来CO 2 捕集中扮演重要角色，特别是在实现净零排放和应对气候变化的全球努力中。电化学捕集系统在实验室和工业规模上的应用，展示了从基础研究到实际应用的转变，每一阶段都对最终实现高效低成本的CO 2 捕集技术至关重要。
2ECCT
ECCT致力于将温室气体转化为高价值化学品或燃料 [35] 。基于电化学还原反应原理，该技术能够在室温和常压下，利用来自风能和太阳能等可再生能源的电能，将CO 2 转化为高价值化学品（CO [36] 、甲酸 [37] 、甲醇 [38] 和乙烯 [39] 等）。该技术不仅有助于减少温室气体排放，而且促进了碳资源的循环利用，为实现可持续发展提供了新途径。
2.1 ECCT路径与机理
ECCT路径涉及CO 2 在电催化剂表面吸附，随后通过质子和电子逐步转移生成各种中间体，最终形成产物。这一过程由于涉及多电子转移，因此可能生成多种产物，反应路径相对复杂。LIU等 [40] 讨论了CO 2 通过电化学还原转化为甲醇的反应机理。具体而言，CO 2 分子首先在电催化剂表面吸附，随后通过6e - 途径生成中间体（可能为CO或甲酸），最终形成甲醇（ 图5 ）。
▲ 图5 CO2转化为甲醇的反应路径[40]
然而在热力学上，CO 2 还原电位比析氢反应正20 mV，因此二者之间存在竞争关系，从而导致甲醇选择性降低。此外，甲醇形成需要6e - ，动力学上相对较慢。因此，电化学技术在提高甲醇选择性和抑制副反应方面发挥着至关重要的作用。GAO等 [41] 采用铜纳米晶体作为电催化剂，实现了CO 2 至乙烯的电化学转化。CO 2 首先在Cu(100)和Cu(111)晶面上被吸附，并通过质子耦合电子转移步骤还原为CO中间体，随后CO中间体通过C—C偶联反应形成C 2 中间体。最终，在适宜电位下，C 2 中间体经过连续质子耦合电子转移步骤被还原为乙烯（ 图6 ）。在-0.55 V vs . RHE条件下，乙烯法拉第效率达66.0%，为电化学CO 2 还原反应的产物选择性调控提供了实验依据。
▲ 图6 CO2转化为乙烯的反应路径[41]
电化学CO 2 还原反应的复杂性主要源于其多电子转移特性，导致反应路径的多样化和多种产物的生成。通过深入研究反应机理和优化电化学技术，可以有效提高目标产物选择性和反应效率。然而，要将这些研究成果转化为实际应用，还需要在反应器设计方面进行深入探索和创新。
2.2 反应器设计的创新与优化
反应器设计的创新与优化是推动ECCT从实验室规模向工业化应用转化的关键。随着对CO 2 转化机理的深入理解，反应器设计也在不断改进。常见的反应器有H型电解槽和流型电解槽，其结构示意图见 图7 [ 42-45] 。传统H型电解槽由两个通过离子交换膜隔开的反应室构成，因其操作简便、适用于快速筛选催化剂，常用于实验室规模研究中 [42] 。然而，由于CO 2 溶解度低和传质限制，H型电解槽性能受到限制，尤其在工业应用中，电流密度小（ < 50 mA/cm 2 ）明显制约了其在工业中的应用 [43] 。流型电解槽通过使用气体扩散电极，增强了CO 2 在气-固-液三相界面的浓度，从而实现了CO 2 在活性位点上的高效转化 [44] 。相比于H型电解槽，流型电解槽电流密度增大，可达1 mA/cm 2 以上。流型电解槽主要包括液相流电解槽、气相流电解槽以及固态流电解槽。液相流电解槽通过强碱性电解液抑制H 2 析出，并利用气体扩散电极将CO 2 直接传输至催化层，从而改善了CO 2 的传质效率和电流密度。气相流电解槽则通过消除阴极电解液层，减少了电解液的欧姆电阻损失，进而提升了系统稳定性及能量效率。固态流电解槽通过集成固态电解质组件，直接将CO 2 还原为液态产品，有效解决了气相电解槽中液态产物与系统的兼容性问题。3种流型电解槽的性能对比见 表1 。
▲ 图7 H型电解槽(a)和流型电解槽(b)结构示意图[ 42-45]
▼ 表1 3种流型电解槽的性能对比
然而，反应器配置不断优化也面临着技术挑战，如淹水效应和碳酸盐沉积问题，以及满足工业应用的具体需求。未来研究应进一步优化反应器配置，以实现更高的能效和产物选择性，同时考虑长期运行的经济性。
2.3 工业化挑战与市场前景
尽管ECCT已展现出将CO 2 转化为高附加值化学品的潜力，但要实现其工业化应用仍面临一系列挑战，包括提高能源效率、增强系统稳定性、降低成本、突破技术壁垒以及实现技术规模化。为了确保CO 2 电解槽在工业化应用中的性能和可靠性，SEGETS等 [13] 提出了一系列技术指标。CO 2 电解槽预期使用寿命应超过50000 h，且所用材料需在60~90 ℃内保持稳定性；CO、甲酸和乙烯等具有工业应用前景的CO 2 还原产品，其法拉第效率应高于80%，并在长时间运行中保持稳定（每1000 h -1 法拉第效率变化率不超过0.1%）；电压衰减率应控制在10 μV/h以下。CHEN等 [46] 提出电解槽设计必须具备良好的可扩展性，例如与现有能源和CO 2 捕获基础设施相集成，以实现从实验室规模到工业规模生产的扩展。此外，通过材料创新，开发低成本电化学催化剂和电解质对于提升电化学转化过程的经济性、实现工业化同样重要。
综上所述，ECCT工业化前景广阔，但需在材料设计和成本控制方面取得进一步突破。随着新材料不断涌现和电解质的优化，ECCT有望在未来实现更广泛的工业应用。
3EMCC和ECCT的应用优化与技术融合
在EMCC和ECCT发展中，许多应用（如电化学传感器）为过程碳管理提供了重要支持。通过精确监测CO 2 相关参数，EMCC和ECCT过程得以优化，系统可以高效稳定运行。此外，电化学技术与其他能源（热能、光能等）耦合应用，实现了能量的高效转换与利用，进一步提升了低碳化工的能源效率和经济效益。
3.1 电化学传感器在过程碳管理中的应用
在CO 2 电化学捕集与转化技术领域，电化学传感器因其良好的灵敏度和选择性广泛应用于环境监测领域，尤其是在CO 2 排放评估与控制方面。目前，固态CO 2 传感器因其良好的稳定性和可靠性而成为研究与应用的主流 [47] 。固态CO 2 传感器包括电位型、安培型和电阻型3种（ 图8 ），在EMCC中监测CO 2 吸附和脱附行为，以及CO 2 转化过程中中间体和产物的形成，这些传感器确保了整个CO 2 管理过程的精确控制和优化。
▲ 图8 不同类型的固态CO2传感器[47]
电位型传感器工作原理在于测量CO 2 在传感器两侧的分压差，从而确定其浓度 [48] 。此类传感器能够提供与气体活度相关的电压信号，实现对CO 2 浓度的定量分析。由于其结构简单、成本较低以及对特定气体的选择性高，目前应用广泛。王光伟等 [49] 开发了一种基于锂钡掺杂氧化碳酸盐的电化学传感器，用于监测CO 2 浓度。由于锂钡掺杂氧化碳酸盐对CO 2 气体的高选择性和灵敏度，该传感器响应不受CO 2 初始浓度的影响，且在水蒸汽存在环境中可保持稳定性。在电化学反应中，CO 2 与敏感电极接触时，会触发导致电极电位变化的反应，这种变化与CO 2 浓度成正比，且电子转移数接近理论值2，保证了传感器响应的线性和可预测性。然而，该传感器需要在较高温度下（最佳工作温度为450 ℃）工作以确保离子导电性，这可能限制了其在对温度敏感应用场合中的使用。此外，电位型传感器对气体分压微小变化的响应并不精确，因为电动势的变化是随着气体压力的对数变化而变化的。
相比之下，安培型传感器展现出更高的分辨率和灵敏度，且无需过高温度 [50] 。基于法拉第电解定律，安培型传感器通过监测CO 2 在电极表面发生的氧化还原反应产生的电流变化定量分析CO 2 浓度。郝建淦等 [51] 以Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 为敏感材料开发了一种电化学传感器。Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 在对电极处进行电化学分解产生Na + 和e - ，Na + 通过NASICON固体电解质迁移至敏感电极，在该处与CO 2 及e - 反应生成碳酸钠。外电路中电流变化直接对应CO 2 浓度变化，从而实现对CO 2 浓度的定量检测。该传感器的最佳工作温度为150 ℃，此时单位浓度CO 2 变化所至响应量变化为2.03 nA，能够对低浓度CO 2 变化做出响应。这种传感器设计不仅提高了检测灵敏度和准确性，还降低了对高温条件的依赖。
电阻型气体传感器工作原理是基于半导电金属氧化物（SMOs）与目标气体之间进行电子交换引起SMOs电阻变化 [52] 。WANG等 [53] 开发了一种基于双钙钛矿结构的电化学传感器。CO 2 作为强电子受体，当其浓度增大时，会在n型半导体表面捕获自由电子，减少导带中的电子浓度，从而增大材料电阻。与此相反，p型SMOs在CO 2 吸附时可能会释放电子，增加空穴载体浓度，进而减小材料电阻。通过掺杂不同过渡金属元素（如Co、Fe）来优化传感器性能，实现了对CO 2 的高灵敏度监测。此外，基于双钙钛矿的结构特点，传感器易于集成到小型化设备中，其普遍性和合成方法的日渐成熟也有助于降低生产成本，满足小型化和成本效益的需求。
尽管如此，如何在复杂气体环境中准确区分目标气体并排除其他气体干扰，仍是气体传感器亟待解决的问题。随着新材料和新技术不断涌现，电化学传感器的性能和应用范围有望进一步提升，为CO 2 精确监测和有效管理提供更加强有力的支持。
3.2 工业化中的耦合技术应用
在实现高效能源转换和环保目标的过程中，电化学传感器提供的精确数据支持和多技术耦合集成应用起到了关键作用。通过整合电化学、光响应、热响应和生物技术等先进手段，系统设计得以优化，能耗降低，整体性能显著提升 [ 54-56] 。这种集成策略不仅提升了能源转换效率，还为环境治理开辟了新途径。
ZHANG等 [57] 提出了一种CCUS辅助电化学多联产工艺。该工艺通过热集成和有机朗肯循环技术，将电化学捕集和转化过程中产生的废热重新转化为电能。与传统配备碳捕集技术的燃煤电厂相比，该工艺能够将净电力输出提高了19%，工厂效率提高了34%，同时将电力成本和CO 2 转化成本分别降低了17%和15%。这一成果证明了通过系统优化和能量回收，可以有效提升燃煤电厂的能源效率和减碳性能。MOIOLI等 [58] 在意大利一个垃圾焚烧发电厂中应用CCUS技术的研究也验证了这一策略的有效性（ 图9 ）。在该研究中，采用单乙醇胺水溶液（质量分数为30%）作为化学吸收剂，优化了CO 2 捕集过程。优化后的CO 2 捕集成本为80.69 USD/t，与传统天然气联合循环电厂中CO 2 捕集成本相近。该研究证实了在废物转化能源工厂中实施CCUS技术的可行性。
图中数字代表检测点。
▲ 图9 垃圾焚烧发电厂减碳系统示意图[58]
电化学技术与其他技术耦合集成应用，通过优化系统设计和能量回收，不仅降低能耗，还可加强CO 2 管理与资源化利用。这种集成方法为构建高效且可持续的清洁能源系统提供技术路径，为未来能源转换与环境治理拓展思路并提供解决方案。
综上所述，电化学传感器和多技术耦合集成应用始终贯穿于CO 2 的捕集与转化全过程。前者确保对动态变化的实时监测与响应，而后者则通过整合数据，实现对整个系统的优化管理。这种综合应用的方法对于实现CCUS技术的经济可行性和环境友好性具有重要意义。
4结语与展望
本文梳理了电化学技术在CO 2 捕集与转化领域的研究进展，剖析了其在提升能量转换效率和环境兼容性方面的优势。EMCC通过吸附剂优化、电极材料选择和反应器设计创新，可实现CO 2 高效捕集与释放，为工业化应用提供了可能。然而，吸附剂和催化剂的稳定性、反应器设计的复杂性以及系统集成的挑战，仍是制约其规模化应用的关键因素。ECCT在实验室中取得了一定成果，电催化剂的改进和反应器配置的优化提高了目标产物选择性和反应效率。但在工业规模上，如何保持高效率和稳定性，同时降低成本，仍是亟待解决的问题。此外，电化学技术与其他CCUS技术的系统集成尚未完善，其经济性有待进一步提高。
开发新型高效稳定的电池材料至关重要，包括电极材料、吸附剂、催化剂和电解质等。深入挖掘材料结构与性能的关联，借助纳米结构设计、表面修饰和复合材料制备等前沿技术，全方位提升电池材料在电化学环境中的稳定性和再生能力，延长其使用寿命，降低更换成本。此外，系统集成策略优化势在必行。电化学技术与热化学、生物技术等其他技术的深度融合，将有助于构建更加高效、灵活和可持续的碳捕集与转化体系。通过持续的技术创新和系统优化，电化学技术有望在低碳化工和环境治理中发挥更加关键的作用，为实现“碳中和”目标和可持续发展做出重要贡献。
DOI：10.12434/j.issn.2097-2547.20240483
本文为原创作品，文字及图片版权均属《低碳化学与化工》编辑部所有，如需转载、摘编本文，务请联系本编辑部。欢迎按本微信原文转发分享！
热门跟贴