揭示胺基碳捕获电解质中电化学二氧化碳还原的直接和间接途径

《ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION》：Unveiling Direct and Indirect Pathways of Electrochemical CO2 Reduction in Amine-Based Carbon Capture Electrolytes

电化学CO2捕获电解质中胺类物质通过直接（初级/次级胺形成羰胺直接还原）和间接（三级胺形成碳酸氢根经表面释放CO2再还原）路径实现碳一氧化物的电化学还原，质子化胺是质子转移的主要来源。

　　

摘要

研究碳捕获电解液中二氧化碳（CO₂）电化学转化的碳源及其反应机理对于合理设计、优化和扩大反应性碳捕获过程的规模至关重要；然而，这些机理仍然尚未得到充分理解。因此，明确碳源和反应路径对于实现高效的电化学CO₂转化至关重要。在本研究中，采用了原位/操作过程中的衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）、表面增强拉曼光谱（SERS）和在线差分电化学质谱（DEMS）技术来识别（碳源）并阐明胺类-CO₂捕获电解液在电化学还原过程中的反应路径。在含有伯胺和仲胺的电解液中，CO₂被捕获形成氨基甲酸酯（R₁R₂NCOO^?）。这些氨基甲酸酯在电化学还原过程中作为关键的电化学活性物种，通过直接途径被还原为一氧化碳。而在含有叔胺或空间位阻较大的胺的电解液中，CO₂被捕获形成碳酸氢根（HCO₃^?）。这种碳酸氢根随后通过间接还原途径进行反应：首先在电极表面释放出CO₂，释放出的CO₂作为主要的反应中间体，随后被还原为一氧化碳。值得注意的是，在直接和间接途径中，质子化的胺都是氢气演化反应（HER）的主要质子来源。本研究通过多种原位/操作实验技术展示了不同类型胺对电化学捕获电解液中电化学活性物种和反应路径的影响。这些发现为基于胺的反应性碳捕获机制提供了更深入和新颖的见解，为优化双功能电解液、电催化剂和反应器设计提供了指导。

图形摘要

结合DEMS、SERS和ATR-SEIRAS技术可以追踪胺基捕获电解液中由CO₂衍生的物种，揭示出两种不同的反应路径：伯胺和仲胺中的直接氨基甲酸酯还原途径，以及叔胺和空间位阻较大的胺中的间接碳酸氢根介导的CO₂还原途径。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

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