Improving the efficiency of CO2 electrolysis by using a bipolar membrane with a weak-acid cation exchange layer

化学 电解 法拉第效率 化学工程 图层(电子) 电解质 电化学 无机化学 电极 有机化学 生物化学 工程类 物理化学
作者
Zhifei Yan,Jeremy L. Hitt,Zichen Zeng,Michael A. Hickner,Thomas E. Mallouk
出处
期刊:Nature Chemistry [Springer Nature]
卷期号:13 (1): 33-40 被引量:149
标识
DOI:10.1038/s41557-020-00602-0
摘要

The efficient conversion of electricity to chemicals is needed to mitigate the intermittency of renewable energy sources. Driving these electrochemical conversions at useful rates requires not only fast electrode kinetics, but also rapid mass and ion transport. However, little is known about the effect of local environments on ionic flows in solid polymer electrolytes. Here, we show that it is possible to measure and manipulate the local pH in membrane electrolysers with a resolution of tens of nanometres. In bipolar-membrane-based gas-fed CO2 electrolysers, the acidic environment of the cation exchange layer results in low CO2 reduction efficiency. By using ratiometric indicators and layer-by-layer polyelectrolyte assembly, the local pH was measured and controlled within an ~50-nm-thick weak-acid layer. The weak-acid layer suppressed the competing hydrogen evolution reaction without affecting CO2 reduction. This method of probing and controlling the local membrane environment may be useful in devices such as electrolysers, fuel cells and flow batteries, as well as in operando studies of ion distributions within polymer electrolytes.
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