传统的胺洗法（如乙醇胺MEA）捕集CO2后，需要高温再生，能耗极高。捕集的CO2用于电解时，反应活性低，传质受限导致效率较低。针对以上难题，MedeA用户中海油材科院吴冲冲和刘东源联合RMIT大学马天翼、李鹏团队提出"两性离子氨基甲酸盐界面（zwitterionic carbamate interface）"概念，揭示了质子化氨基甲酸盐不仅是CO2储存物种，更能够主动参与界面质子传递与局域反应环境调控，从而促进捕获态CO2的直接电催化反应。该成果发表在国际期刊《Science Advances》上，题目为"Zwitterionic carbamate interfaces unlock efficient "liquid" CO2 upgrading"。

创新成果
 
1. “捕集-电解”一体化最优介质：PZ

研究人员提出不同于传统"捕集-热再生-电解"流程的新路径：直接在液态carbamate溶液中实现amine-captured CO2电化学升级，即集成捕集与电解（ICCE）跳过热再生步骤（图1），直接电解胺捕集的CO2加合物。

图1 ICCE中捕集化学与界面设计

研究人员选取了六种具有代表性的直链/环状胺分子：PLA、META、EDA、PZ、PD及MP，筛选它们对CO2的捕集性能。PE与EDA表现出优异的CO2捕集速率及容量，核磁共振显示（图2），PZ和EDA主要形成两性离子氨基甲酸酯。动力学分析发现：PZ的CO2吸收速率最快，且能维持高浓度的离子型CO2物种，远超普通气相电解中的溶解CO2浓度。综上，PZ是最理想材料。

图2 不同结构胺分子的捕集化学与动力学行为比较

2. 界面调控验证液相主导机制

研究人员通过在催化剂层添加疏水性聚四氟乙烯（PTFE）来调控气-液-固界面，系统研究界面扩散层与反应行为之间的关系。在传统0.5 M KHCO3电解中（图3），增加PTFE有助于气体扩散，提升CO法拉第效率（FECO）。但在PZ体系中，增加PTFE导致FECO下降。以上证明PZ体系中反应物是liquid PZ carbamate species (PZCOO−/H+PZCOO−)，且液相传质是反应的决速步。

图3 引入PTFE调控界面以实现质量传输和CO选择性调节

3. 实验与DFT计算验证反应路径

研究人员利用原位ATR-FTIR在电化学还原条件下检测到了吸附在镍基催化剂表面的protonated carbamate species（H+PZCOO−）的特征峰，随着电位变负，该特征峰强度逐渐增加，证明该物种是电化学还原过程中关键吸附中间体。

随后研究者通过MedeA Environment创建Ni-2MI催化剂，采用MedeA VASP研究protonated PZ carbamate ions在Ni团簇表面具体反应路径（见图4）。计算显示，在PZ-CO2体系在Ni-2MI上形成HPZ-COOH*中间体，先断裂C-N键，释放出PZ分子，留下吸附的COOH*，进一步还原脱氧生成CO。同时发现Ni纳米团簇比单原子Ni更能稳定中间体，促进反应。

图4 amine-CO₂体系中carbamate电还原机理研究

研究人员将该技术应用于zero-gap MEA电解池中，模拟工业烟气（20 vol% CO2）条件下实现了超过150小时的稳定运行，且能耗极低，证明了其工业应用潜力。

总结与展望

本案例中，研究人员通过实验结合理论计算，构建了无需热再生的液相CO2升级路线，解决了热再生能耗高与电化学活性低的矛盾，该研究为设计高效碳捕集与转化一体化工业装置提供了重要的理论和实验依据。

参考文献

DOI: 10.1126/sciadv.aed8640