Design and Diagnosis of high-performance CO2-to-CO electrolyzer cells

电解 法拉第效率 碱度 催化作用 工作(物理) 高效能源利用 工艺工程 计算机科学 化学 材料科学 化学工程 电极 热力学 电化学 电气工程 工程类 物理 物理化学 电解质 有机化学 生物化学
作者
Sven Brückner,Quanchen Feng,Wen Ju,Daniela Galliani,Anna Testolin,Malte Klingenhof,Sebastian Ott,Peter Strasser
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2023-z6v6m
摘要

This work reports the design of a highly efficient neutral-pH CO2-to-CO zero-gap electrolyzer incorporating a new family of 2D layered framework-derived mesoporous single atom NiNC catalysts. What sets its performance apart from previous reports is not only the ~100% CO faradaic efficiency at applied current densities of up to 300 mA cm-2 at just above 3 V cell voltage and 40% total energy efficiency, but the uniquely low stoichiometric CO2 excess, stoich, of 1.2 that yields a molar CO concentration of around 70%Vol in the electrolyzer exit stream at 40% single pass CO2 conversion. This CO-rich exit stream and the low cost catalyst makes this electrolyze design ideally suited for cost-effective and energy efficient tandem cell configurations for high C2+ product yields. We also propose and validate a new kinetic diagnostic tool to help resolve mechanisms of undesired CO2 loss. We introduce an experimentally accessible carbon crossover coefficient, CCC, that describes the ratio between non-catalytic acid-base CO2 consumption and catalytically generated alkalinity. It offers an intuitive insight into the nature of the prevalent ionic transport. Combined with the stoich and the faradaic CO efficiency data, the CCC analysis offers practical guidelines toward improved electrolyzer designs. Our CCC-based cell diagnosis can be applied more broadly to all CO2 electrolyzers
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