为降低大气中CO₂浓度，实现碳循环平衡。由碳捕捉利用（Carbon capture utilization，CCU）和碳捕捉储存（Carbon capture storage，CCS）组成的碳捕捉利用和储存（Carbon capture utilization and storage，CCUS）技术，被认为是短期内控制大气中二氧化碳浓度的有效工具之一。其中，由于具备高效率和高成本效益等特点，膜技术在碳捕捉和转化领域备受关注。这篇综述从碳捕捉、碳利用和能量储存与转化三个方面介绍了基于离子交换膜的相关工艺。如电渗析（ED）、双极膜电渗析（BMED）、反向电渗析（RED）、置换电渗析（EDM）、电催化还原CO₂、燃料电池和氧化还原液流电池的进展，分析了相关技术在碳捕捉和利用领域中存在的挑战，并对未来的发展趋势和电膜技术进行了展望。

离子交换膜相关工艺在CCU和CCU工艺中发挥了重要作用。离子交换膜的固有和特殊优势不仅可以有效减少CO₂在环境中的积累，而且可以获得包括燃料和无机化学品在内的高附加值产品。然而，CCUS的离子交换膜相关工艺在实际应用中仍需克服一些挑战，未来几个研究方向如下所示。

（1）提高离子交换膜的性能是至关重要的。由于分离机理和膜的微观结构，离子交换膜很难在选择性和渗透性之间达到完美的平衡。降低水迁移、同离子泄露和膜污染是电渗析过程的主要问题。此外，制备低压降、高稳定性、大尺寸的双极膜和低电阻、高选择性和高稳定性的离子膜仍然是一个很大的挑战。

（2）采用BMED 生产酸碱有利于降低碱生产过程中的高能耗。尝试在高电流密度（>100mA/cm²）下进行连续饱和进料有利于提高碱产量。此外，碳酸盐与废盐的直接电置换反应是将废弃的资源转化为增值产品的可行解决方案。

（3）膜污染也是离子交换膜在碳减排过程中的主要挑战。常用于减缓膜污染的策略包括预处理、物理和化学清洁、与其他技术的集成等。离子交换膜相关工艺与其他压力驱动膜工艺如超滤或纳滤的耦合，有利于延长离子交换膜的稳定性。

（4）通过工艺集成的方式能进一步降低离子交换膜相关工艺的运行成本。碱性膜水电解产生的氢气和氧气，可为燃料电池提供主要能源，经氧化还原液流电池储存能量后，能够实现电力持续不断地输送。同时，BMED膜堆可以直接连接到光伏发电系统，将 NaCl 一步转化为 HCl 和 NaOH。前者可直接用于合成聚氯乙烯（PVC），后者可用作捕集CO₂和各种基础消费行业的化学品资源。

相关研究工作以“Ion exchange membrane related processes towards carbon capture, utilization and storage: Current trends and perspectives”为题发表于（Separation and Purification Technology, DOI: 10.1016/j.seppur.2022.121390）。中国科学技术大学化学与材料科学学院在读博士生王皝莹为论文第一作者，中国科学技术大学化学与材料科学学院徐铜文教授和汪耀明教授为文章共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、安徽省重点技术研发计划项目、安徽省自然科学基金项目的支持。