淡水资源短缺是当今人类面临的重大挑战之一，而各种海水淡化技术为淡水匮乏问题提供了解决方案。然而，传统海水淡化技术主要依赖化石燃料，这不仅加剧了温室气体的排放，还限制了其可持续发展。近年来，基于太阳能、地热或风能等可再生能源的新型海水淡化技术成为研究热点，但其高成本限制了大规模推广。与此同时，二氧化碳（CO₂）电催化还原能将温室气体CO₂转化为高附加值化学品而备受关注。在此背景下，如果将CO₂电催化还原技术与海水淡化技术有效结合起来将为解决水-能源-气候问题提供新的方案。理论上通过合理利用离子交换膜是有可能将这两个过程耦合起来。CO₂还原效率与脱盐速率将是评价可能的耦合技术的两个重要指标。

近日，悉尼大学陈元教授、华南师范大学/海南大学陈福明教授和南方医科大学陈训财研究员合作，设计了一个有四个腔室的电化学流动池反应装置，并使用嵌入铜纳米颗粒的由金属有机框架派生出的碳催化剂（Cu@ZIF-8C）催化CO₂还原反应，成功将CO₂电催化还原和脱盐耦合在一起。该装置CO₂还原至一氧化碳（CO）的法拉利效率可达到94.3%，而CO的产出率达到288 μmol cm^-2 h^-1。同时实现了目前报道的最快脱盐速率之一（1043.49 μg cm^-2 min^-1），可直接去除天然海水中99%的离子得到可饮用水。

碳催化剂结构表征结果表明，Cu@ZIF-8C中的C、N、O元素均匀分布，Cu主要以纳米颗粒的形式分散分布在碳结构中。与无掺杂铜纳米颗粒的碳催化剂（ZIF-8C）相比，Cu@ZIF-8C具有更少的碳缺陷位点和更高的石墨化度，可以在CO₂电催化还原中提高电导率。此外，Cu@ZIF-8C还具有更大的比表面积和更大的平均孔径，为CO₂还原过程提供更多催化活性位点，并更有利于CO₂还原反应中间体的传质过程。同时，碳骨架内存在的吡啶氮和石墨氮结构对促进CO₂还原反应亦有所裨益。

电化学测试结果表明，与ZIF-8C相比，Cu@ZIF-8C表现出更优异的电流响应和CO₂还原催化活性，其还原产物主要为CO。在优化的反应条件下，实现了94.3%的CO₂还原法拉第效率，CO产率为288 μmol cm⁻² h⁻¹。同时，盐移除速率高达1043.49 μg cm⁻² min⁻¹。基于该条件计算的摩尔比能耗为99.45 kJ mol⁻¹。

该反应装置能够在约9小时内将15 mL初始盐浓度为35000 ppm的进料盐液脱盐至淡水水平，且过程中电催化产出CO的法拉第效率维持在92.7%以上，彰显了长时稳定性。此外，该系统对海水中存在的Na⁺、Ca²⁺、K⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-的离子移除率高达99%以上。

总结来说，这项工作有效和耦合了海水淡化和CO₂电催化还原过程，展现出高盐移除速率、高离子移除效率，能够维持电催化产出CO的高法拉第效率，具有良好的长时稳定性和具有竞争力的较低能耗，为解决水-能源-气候问题提供了一个新的策略。