video: 该动画展示了这项创新性二氧化碳转化技术的核心工作流程。首先，自支撑MOF基混合基质膜从低浓度二氧化碳源中选择性过滤掉杂质（二氧化硫、一氧化氮、氧气、氮气）；随后，富集后的高纯度二氧化碳被送入电解器，在酸性条件下，铋纳米颗粒催化层将其转化为甲酸。这是首次实现从空气到纯甲酸的直接电化学转化。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
长期以来，将二氧化碳（CO2）转化为有用化学品的过程，一直依赖高纯度二氧化碳，这一过程成本高昂且能耗大，严重限制了其实际应用价值。如今，由中山大学陈小明院士和廖培钦教授带领的研究团队，凭借一款创新的电解器设计改变了这一局面，相关成果近期发表于《国家科学评论》（National Science Review）。
这一设计的核心创新点，在于一款基于金属有机框架（MOF）的自支撑分子筛膜。MOF 是一类具有优异气体捕获能力的多孔材料，将其直接集成到电解器中，可同时完成两项关键任务：一方面过滤稀释二氧化碳源中的杂质（如二氧化硫、氮氧化物、氧气等），另一方面将二氧化碳浓度提升至足以高效转化的水平。
在烟气（通常含15%二氧化碳）测试中，该膜将二氧化碳浓度提升至82.5%。随后，电解器将这些富集后的二氧化碳转化为甲酸（HCOOH），一种重要的液体燃料和工业化学品。整个过程的法拉第效率（衡量反应有效性的指标）接近100%，电流强度达9000毫安。仅需4小时，设备就能生产出23毫升无水、无电解质的甲酸，且纯度符合商业标准。这是首次通过电化学还原方式，直接从烟气中制备出如此高纯度的产品。
更令人瞩目的是，该设备还能利用空气中的二氧化碳（空气中二氧化碳含量仅0.04%）。研究团队采用特殊的KAUST-7-MOF膜，将空气中的二氧化碳浓度提升至2.05%，甲酸的法拉第效率达到98.2%，产率更是比未使用该膜的催化剂高出5000倍。这一成果为潜艇、空间站等密闭空间的二氧化碳控制提供了新可能。
除性能优势外，该设计还具备显著的经济价值。技术经济分析显示，相比使用纯二氧化碳原料，以烟气为原料可使生产成本降低15%，因为它省去了二氧化碳预处理提纯的步骤。同时，得益于膜的选择性过滤功能，设备不会与杂质发生副反应，确保了产物输出的稳定性和高品质。
这一突破填补了实验室研究与工业应用之间的空白，为将废弃二氧化碳（来自发电厂、工厂甚至空气）转化为有价值资源，提供了一种可规模化、低成本的解决方案。它不仅有助于降低大气中的二氧化碳浓度，还能推动可持续化学品生产，为实现全球碳中和目标奠定重要基础。
Journal
National Science Review