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Integrating hydrogen utilization in CO2 electrolysis with reduced energy loss

电解 能量(信号处理) 材料科学 环境科学 计算机科学 化学 物理 电极 量子力学 电解质 物理化学 有机化学
作者
Xianyan Jiang,Le Ke,Kai Zhao,X. Q Yan,H.H Wang,Xiaoyuan Cao,Yuchen Liu,Lingjiao Li,Yanping Sun,Zhiping Wang,Dai Dang,Ning Yan
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-45787-x
摘要

Abstract Electrochemical carbon dioxide reduction reaction using sustainable energy is a promising approach of synthesizing chemicals and fuels, yet is highly energy intensive. The oxygen evolution reaction is particularly problematic, which is kinetically sluggish and causes anodic carbon loss. In this context, we couple CO 2 electrolysis with hydrogen oxidation reaction in a single electrochemical cell. A Ni(OH) 2 /NiOOH mediator is used to fully suppress the anodic carbon loss and hydrogen oxidation catalyst poisoning by migrated reaction products. This cell is highly flexible in producing either gaseous (CO) or soluble (formate) products with high selectivity (up to 95.3%) and stability (>100 h) at voltages below 0.9 V (50 mA cm −2 ). Importantly, thanks to the “transferred” oxygen evolution reaction to a water electrolyzer with thermodynamically and kinetically favored reaction conditions, the total polarization loss and energy consumption of our H 2 -integrated CO 2 reduction reaction, including those for hydrogen generation, are reduced up to 22% and 42%, respectively. This work demonstrates the opportunity of combining CO 2 electrolysis with the hydrogen economy, paving the way to the possible integration of various emerging energy conversion and storage approaches for improved energy/cost effectiveness.

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