Oxygen-stable atmospheric electrochemical CO₂ capture enabled by Pseudo-ring formation between phenanthrenequinone and diols

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Electrochemical CO2 capture offers a promising and energy-efficient approach to removing atmospheric CO2 by enabling reversible redox-mediated capture and release processes that operate isothermally under ambient conditions. However, practical implementation has been limited by a fundamental trade-off: redox potentials must be sufficiently positive to avoid parasitic oxidation by O2, yet such shifts typically weaken CO2 binding affinity—particularly problematic at atmospheric concentrations (~400 ppm). Here, we report an oxygen-stable electrochemical CO2 capture system based on 9,10-phenanthrenequinone (PAQ), whose microenvironment is precisely tuned via interaction with vicinal diols. High-throughput computational screening, supported by experimental validation, reveals that diols bearing adjacent hydroxyl groups form bidentate hydrogen bonds with PAQ’s carbonyls, resulting in a pseudo-ring structure that stabilizes the reduced quinone while preserving CO2 affinity. This molecular design enables the first demonstration of electrochemical CO2 capture from air under oxygen-rich conditions, representing a critical step toward the practical deployment of electrochemical CO2 capture technologies.

국문 초록 (Abstract)

전기화학적 이산화탄소 포집 기술은 가역적인 레독스 매개 반응을 통해 상온상압에서 이산화탄소의 포집과 방출을 수행할 수 있어, 대기 중 이산화탄소를 제거하는 에너지 효율적인 접근법으로 주목받고 있다. 그러나, 실제 응용 단계에서 산소에 의한 부반응적 산화문제가 존재한다. 이를 피하기 위해서는 레독스 매개체의 환원전위가 슈퍼옥사이드(superoxide) 형성 전위보다 양의 방향이어야 하지만, 이러한 전위 이동은 일반적으로 이산화탄소 결합 친화도를 약화시킨다.
본 연구에서는 이러한 한계를 해결하기 위해 디올(diol)과의 상호작용을 통해 미세환경이 정밀하게 조절된 9,10-phenanthrenequinone(PAQ)를 기반으로 한 산소 안정적 전기화학적 이산화탄소 포집 시스템을 제안한다. 실험적 검증 결과, 인접한 두 개의 하이드록실기를 갖는 디올 분자들은 PAQ의 두 카보닐기와 함께 이가성(bidentate) 수소결합을 형성하여 유사 고리(pseudo-ring) 구조를 생성함을 확인하였다. 이 구조는 환원된 퀴논을 효과적으로 안정화시키면서도 이산화탄소 결합 친화도는 유지할 수 있게 해준다. 이러한 미세환경 기반 분자 설계 전략을 통해, 본 연구는 고농도 산소 환경에서도 이산화탄소를 전기화학적으로 포집할 수 있음을 입증하였다. 이는 전기화학적 이산화탄소 포집 기술의 실용적 적용을 향한 중요한 진전을 의미하며, 향후 직접공기포집(direct air capture, DAC) 분야의 고효율 레독스 활성 소재 개발에 새로운 방향성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 Global CO2 emissions and the need for carbon mitigation 1
• 1.2 Limitations of conventional CO2 capture and the advantages of electrochemically mediated carbon capture (EMCC) 3
• 1.3 Redox-active molecules for electrochemical CO2 capture 7
• 1.4 Quinones as promising redox-active CO2 sorbents 10
• 1.5 Key challenges of quinone-based CO2 capture 13
• 1.6 Research strategy 15
• Chapter 2. EXPERIMENTAL 17
• 2.1 Materials 17
• 2.2 Electrochemical characterization 18
• 2.3 Optical characterization 19
• 2.4 Computational details 20
• Chapter 3. RESULTS AND DISCUSSION 22
• 3.1 Redox cycle of 9,10-phenanthrenequinone (PAQ) 22
• 3.2 Alcohol-induced tuning of reduction potentials and CO2 binding constants 25
• 3.3 Calculation of CO2 binding constant from CV 31
• 3.4 Pseudo-ring formation enables stabilization and CO2 capture 35
• 3.5 Pseudo-ring formation confirmed by UV-Vis 39
• 3.6 Reversible atmospheric CO2 capture and release in an H-Cell electrochemical system 44
• 3.7 Summary of E1/2 shifts and CO2 binding constants of PAQ in the presence of alcohols 48
• Chapter 4. CONCLUSION 51
• References 53
• 논문요약 56