Single Pass CO2 Conversion Exceeding 85% in the Electrosynthesis of Multicarbon Products via Local CO2 Regeneration

电合成 碳酸氢盐 二氧化碳 材料科学 化学工程 离子交换 离子 化学 无机化学 电极 电化学 法拉第效率 有机化学 生物化学 工程类 物理化学
作者
Colin P. O’Brien,Rui Kai Miao,Shijie Liu,Yi Xu,Geonhui Lee,Anthony Robb,Jianan Erick Huang,Ke Xie,Koen Bertens,Christine M. Gabardo,Jonathan P. Edwards,Cao‐Thang Dinh,Edward H. Sargent,David Sinton
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:6 (8): 2952-2959 被引量:216
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.1c01122
摘要

The carbon dioxide reduction reaction (CO2RR) presents the opportunity to consume CO2 and produce desirable products. However, the alkaline conditions required for productive CO2RR result in the bulk of input CO2 being lost to bicarbonate and carbonate. This loss imposes a 25% limit on the conversion of CO2 to multicarbon (C2+) products for systems that use anions as the charge carrier—and overcoming this limit is a challenge of singular importance to the field. Here, we find that cation exchange membranes (CEMs) do not provide the required locally alkaline conditions, and bipolar membranes (BPMs) are unstable, delaminating at the membrane–membrane interface. We develop a permeable CO2 regeneration layer (PCRL) that provides an alkaline environment at the CO2RR catalyst surface and enables local CO2 regeneration. With the PCRL strategy, CO2 crossover is limited to 15% of the amount of CO2 converted into products, in all cases. Low crossover and low flow rate combine to enable a single pass CO2 conversion of 85% (at 100 mA/cm2), with a C2+ faradaic efficiency and full cell voltage comparable to the anion-conducting membrane electrode assembly.
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