Scalable Gas Diffusion Electrode Fabrication for Electrochemical CO2 Reduction Using Physical Vapor Deposition Methods

材料科学 法拉第效率 电解 气体扩散电极 电化学 催化作用 化学工程 化学气相沉积 电催化剂 纳米技术 电极
作者
Emily Jeng,Zhen Qi,Ajay R Kashi,Sara Hunegnaw,Ziyang Huo,John S Miller,Leonardus B Bayu Aji,Byung Hee Ko,Haeun Shin,Sichao Ma,Kendra P. Kuhl,Feng Jiao,Juergen Biener
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (6): 7731-7740
标识
DOI:10.1021/acsami.1c17860
摘要

Electrochemical CO2 reduction (ECR) promises the replacement of fossil fuels as the source of feedstock chemicals and seasonal storage of renewable energy. While much progress has been made in catalyst development and electrochemical reactor design, few studies have addressed the effect of catalyst integration on device performance. Using a microfluidic gas diffusion electrolyzer, we systematically studied the effect of thickness and the morphology of electron beam (EB) and magnetron-sputtered (MS) Cu catalyst coatings on ECR performance. We observed that EB-Cu outperforms MS-Cu in current density, selectivity, and energy efficiency, with 400 nm thick catalyst coatings performing the best. The superior performance of EB-Cu catalysts is assigned to their faceted surface morphology and sharper Cu/gas diffusion layer interface, which increases their hydrophobicity. Tests in a large-scale zero-gap electrolyzer yielded similar product selectivity distributions with an ethylene Faradaic efficiency of 39% at 200 mA/cm2, demonstrating the scalability for industrial ECR applications.
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