Cation‐Infused Bilayer Ionomer Coating Enables High Partial Current Density Toward Multi Carbon Products in CO2 Electrolysis

材料科学 离聚物 电解 涂层 双层 化学工程 碳纤维 电流密度 电流(流体) 电极 复合材料 纳米技术 电解质 物理化学 聚合物 化学 物理 电气工程 量子力学 生物 复合数 工程类 共聚物 遗传学
作者
Mohsina Rashid,Shariful Kibria Nabil,Muflih A. Adnan,Kannimuthu Karthick,Md Golam Kibria
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.202400570
摘要

Abstract Electrochemical CO 2 reduction (eCO 2 R) stands as a pivotal technology for carbon recycling by converting CO 2 into value‐added products. While significant strides have been made in generating multi‐carbon (C 2+ ) products like ethylene (C 2 H 4 ) and ethanol (C 2 H 5 OH) at industrial‐scale current densities with high Faradaic efficiency (FE), cathode flooding and (bi)carbonate salt accumulation remain a fundamental concern in an alkaline electrolyte. In this work, ion‐conducting polymers are used to tailor the micro‐environment mitigating cathode flooding and salt precipitation and thus, enhancing the local CO 2 availability. The impact of cation and anion exchange ionomer layers, specifically Nafion and Sustainion XA‐9 are examined on overall eCO 2 R performance. The use of an ultra‐thin bilayer configuration significantly reduces cathode flooding and salt accumulation by ≈58% compared to commercial anion exchange membrane (AEM). Alongside, cation infusion improves the C─C bond formation inducing a favorable micro‐environment for selective C 2+ formation. This cation‐infused bilayer ionomer (CIBLI) achieves a high partial current density of ≈284 mA cm −2 toward C 2+ products maintaining a stable eCO 2 R performance for 24 hours (h). This scalable approach of directly deposited ultra‐thin CIBLI offers a minimal conversion energy of 117 GJ/ ton C 2+ products with an energy efficiency (EE) of 29% at 350 mA cm −2 current density in one‐step CO 2 conversion.
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