自支撑MOF分子筛膜电解槽实现空气与烟气中CO2高效电还原制甲酸

针对空气中低浓度CO2(400 ppm)和烟气中杂质(SO2/NO/O2)导致的电催化效率低下问题，中山大学团队开发了集成MOF混合基质分子筛膜(MMM)的酸性膜电解槽，将烟气/空气中CO2浓度分别提升至82.5%/2.05%，在强酸性条件下实现甲酸(HCOOH)法拉第效率(FE)达100%，获得23 mL无水高纯甲酸，为碳中和技术提供新范式。

　　

随着全球碳中和进程加速，如何高效转化低浓度CO₂成为关键科学难题。空气中仅含400 ppm CO₂，而典型烟气中虽含15% CO₂却混杂SO₂/NO等干扰物，现有电化学还原技术(eCO₂RR)面临选择性差、产物分离成本高等瓶颈。更棘手的是，传统电解槽设计难以兼顾气体净化与催化反应，导致杂质电还原严重降低目标产物法拉第效率。

针对这一挑战，中山大学化学学院陈小明院士团队与西北工业大学合作，创新性地将自支撑MOF基分子筛膜嵌入电解槽系统，开发出能同步实现CO₂富集与高效转化的集成装置。该研究发表于《National Science Review》，通过CALF-20-MMM分子筛膜将烟气中CO₂浓度从15%提升至82.5%，空气CO₂浓度提升50倍至2.05%，结合铋纳米颗粒(Bi NPs)催化剂，在4.5V电压下实现9A级电流输出，甲酸时空产率达1.4 g h^-1 mg_cat^-1，创下空气直接电催化CO₂转化效率新纪录。

研究团队采用三大关键技术：1) 溶剂蒸发法制备MOF-MMM分子筛膜；2) 快速还原法合成Bi NPs催化剂；3) 构建气体-固体酸性膜电解槽装置。通过对比MAF-4、CALF-20、KAUST-7等MOF的孔径与吸附性能，发现CALF-20的2.7?孔径与3.62 mmol g^-1 CO₂吸附量最适配烟气处理，而KAUST-7对空气中400 ppm CO₂具有1.25 mmol g^-1的超高吸附能力。

RESULTS AND DISCUSSION部分揭示：

1. 分子筛膜性能验证：CALF-20-MMM将烟气中SO₂/NO浓度从500 ppm降至26.3/14.4 ppm，CO₂渗透率达7.3 mL min^-1 cm^-2，而单纯PIM-1膜无选择性。

   

2. 电解槽性能突破：气体-固体酸性膜电解槽连续运行300小时产出1.8L 0.91M甲酸水溶液，5×5 cm² MEA单次电解4小时获得28g无水甲酸，核磁检测纯度>99%。

   

3. 空气直接转化：KAUST-7-MMM使空气CO₂富集50倍，Bi催化剂在2.5V下实现5.3 mA cm^-2部分电流密度，甲酸产率177,200 μmol h^-1 g^-1，较传统催化剂提升5000倍。

该研究开创性地将分子筛分离与电催化过程耦合，解决了低浓度CO₂转化中气体净化与催化效率难以兼顾的核心矛盾。所获无水甲酸无需后续纯化即可商用，为潜艇、空间站等封闭环境碳循环提供了可行方案。通过模块化设计电解槽的分子筛层与催化层，该技术有望推动碳捕集与利用(CCU)向低能耗、高附加值方向发展。