工程研究人员在开发利用醌作为有效捕集剂的碳捕集系统方面取得了进展，这些醌是溶解在水中的分子。最近的研究揭示了这些更安全的水基电化学系统的工作原理，从而为它们的设计改进和进步奠定了基础。
碳捕集对于减少工业过程中（如水泥制造或金属生产）的大气二氧化碳至关重要。它被视为应对气候变化的重要策略。目前的技术，如胺洗涤，因其高能耗和使用有害化学品而面临挑战。
为了寻找更好的选择，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院的研究人员创造了利用水中醌作为其核心组件的碳捕集系统。即将在《自然化学工程》期刊上发表的新文章深入探讨了这些更温和的水基电化学捕集系统中发挥作用的基本机制，为进一步的进展奠定了基础。
这项研究由Kiana Amini领导，她曾是哈佛的博士后研究员，现在是英属哥伦比亚大学的助理教授，研究了水相醌介导的碳捕集系统中的化学反应，重点讲述了两种增强系统有效性的电化学反应之间的相互作用。
Michael J. Aziz是这项研究的资深作者，担任SEAS材料与能源技术的Gene和Tracy Sykes教授。Aziz的实验室之前已经开发了利用类似醌化学的红氧流电池技术，用于商业和电网应用的能量储存。
醌是一种多功能的小有机化合物，存在于原油和大黄等物质中，能够多次捕集和释放CO2。通过实验室研究，哈佛团队发现醌通过两种不同的机制捕集碳。虽然这些过程同时进行，但它们对碳捕集的个别贡献之前并不清楚，类似于一个其内部工作原理未知的实验设备。
这项研究阐明了这些过程。
“如果我们想要优化这个系统，了解有哪些机制促成了碳捕集并测量它们的个别影响是至关重要的。在此之前，我们并未量化这些具体的贡献，”Amini表示。
溶解的醌捕集碳的一种方法涉及直接相互作用，其中醌获得电荷并经历一个还原反应，从而增强其对CO2的吸引力。这种相互作用使醌能够与二氧化碳分子结合，形成称为醌-CO2加成物的化学复合物。
第二个机制是一种间接的捕集方式：带电的醌吸收质子，提升溶液的pH值。这种转变使二氧化碳能够与现在呈碱性的溶液反应，形成重碳酸盐或碳酸盐化合物。
研究人员开发了两种实验方法来实时评估每种机制的贡献。第一种方法涉及使用参考电极观察醌与其产生的醌-CO2加成物之间的电压差。
第二种方法使用荧光显微镜区分氧化、还原和加成的化学物质，快速测量它们的浓度。这是通过发现参与醌辅助的碳捕集的化合物展示出独特的荧光模式来实现的。
“这些技术使我们能够在操作阶段分析每种机制的贡献，”Amini解释道。“这种能力使得设计系统能够针对具体机制和化学成分进行定制。”
这项研究增强了对水相醌基碳捕集技术的理解，并提供了有用的工具以便为各种工业场景定制设计。尽管仍然面临诸如氧气敏感性等障碍，这可能影响系统效率，但这些发现为探索提供了新机会。
该研究得到了国家科学基金会和美国能源部的资助。
