2024年12月16日，哈佛大學(xué)Michael J. Aziz教授在國際頂級期刊Nature Chemical Engineering發(fā)表題為《In situ techniques for aqueous quinone-mediated electrochemical carbon capture and release》的研究論文，Kiana Amini為論文第一作者，Michael J. Aziz教授為論文通訊作者。博士生席大為等人也對研究成果作出重要貢獻(xiàn)。

Michael J. Aziz，哈佛大學(xué)教授，埃尼獎(jiǎng)得主。本科畢業(yè)于加州理工學(xué)院，碩博畢業(yè)于哈佛大學(xué)，博士期間的導(dǎo)師為David Turnbull。隨后在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究，1986年加入哈佛大學(xué)。

Michael J. Aziz教授在應(yīng)用物理和材料科學(xué)領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)，是水性有機(jī)氧化還原液流電池的共同發(fā)明者，目前的研究興趣已轉(zhuǎn)向能源儲(chǔ)存和二氧化碳捕獲等可持續(xù)發(fā)展問題。

席大為，哈佛大學(xué)Michael J. Aziz教授課題組博士生。2019年本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，現(xiàn)于哈佛大學(xué)攻讀博士學(xué)位，致力于氧化還原液流電池分子的開發(fā)，并結(jié)合無機(jī)化學(xué)和催化的見解，尋求基于所開發(fā)的液流電池系統(tǒng)的應(yīng)用。

在這里，作者闡明了水性醌介導(dǎo)的碳捕獲系統(tǒng)中親核性擺動(dòng)和pH值擺動(dòng)機(jī)制之間復(fù)雜的相互作用，展示了理解這種相互作用在材料發(fā)現(xiàn)周期中的關(guān)鍵作用。

該見解促進(jìn)了兩種原位技術(shù)的發(fā)展：第一種技術(shù)采用原位參比電極，并利用醌和醌-CO₂加合物之間可辨別的電壓信號(hào)差異，從而可以量化兩種機(jī)制的單獨(dú)貢獻(xiàn)。

第二種方法是基于作者的發(fā)現(xiàn)開發(fā)的，即在與還原形式的熒光不同的波長處，醌的加合物形式顯示出來自入射光的熒光發(fā)射。

因此，作者引入了一種使用熒光顯微鏡的非侵入性原位方法，提供了以個(gè)位數(shù)微米分辨率、以亞秒時(shí)間分辨率區(qū)分物種的能力。

該技術(shù)有望用于研究基于醌的碳捕獲系統(tǒng)及其他系統(tǒng)。

圖1：親核性擺動(dòng)和pH擺動(dòng)機(jī)制在CO₂捕獲中的動(dòng)態(tài)相互作用

圖2：BTMAPAQ異構(gòu)體的分子結(jié)構(gòu)和循環(huán)伏安圖譜

圖3：BTMAPAQ在不同CO₂沖洗時(shí)間下的電池電壓、pH值和CO₂釋放量

圖4：1, 5-BTMAPAQ在不同實(shí)驗(yàn)條件下的吸光度和發(fā)射光譜

圖5：透明微流控液流電池的設(shè)計(jì)與操作

圖6：微流控電池中BTMAPAQ加合物的形成和熒光強(qiáng)度變化

綜上，在這篇論文中，作者研究了在水介質(zhì)中醌介導(dǎo)的電化學(xué)碳捕獲和釋放系統(tǒng)中親核性擺動(dòng)和pH擺動(dòng)機(jī)制之間的復(fù)雜相互作用，并開發(fā)了兩種原位技術(shù)來量化這兩種機(jī)制的貢獻(xiàn)。

這項(xiàng)研究不僅加深了對這些機(jī)制在碳捕獲過程中作用的理解，而且通過開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)方法，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化更高效的電化學(xué)碳捕獲材料和技術(shù)提供了重要的科學(xué)基礎(chǔ)，具有在能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力。

Amini, K., Cochard, T., Jing, Y.?et al.?In situ techniques for aqueous quinone-mediated electrochemical carbon capture and release.?Nat. Chem. Eng.?(2024).