Catalyst Regeneration via Chemical Oxidation Enables Long-Term Electrochemical Carbon Dioxide Reduction

化学 催化作用 选择性 电解 乙烯 电化学 化学工程 无机化学 电流密度 电极 有机化学 电解质 物理 物理化学 量子力学 工程类
作者
Tu N. Nguyen,Zhu Chen,Ali Shayesteh Zeraati,Hadi Shaker Shiran,Sharif Md. Sadaf,Md Golam Kibria,Edward H. Sargent,Cao‐Thang Dinh
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (29): 13254-13265 被引量:65
标识
DOI:10.1021/jacs.2c04081
摘要

Electrochemical CO2 reduction (ECR) with industrially relevant current densities, high product selectivity, and long-term stability has been a long-sought goal. Unfortunately, copper (Cu) catalysts for producing valuable multicarbon (C2+) products undergo structural and morphological changes under ECR conditions, especially at high current densities, resulting in a rapid decrease in product selectivity. Herein, we report a catalyst regeneration strategy, one that employs an electrolysis method comprising alternating "on" and "off" operating regimes, to increase the operating stability of a Cu catalyst. We find that it increases operating lifetime many times, maintaining ethylene selectivity ≥40% for at least 200 h of electrolysis in neutral pH media at a current density of 150 mA cm–2 using a flow cell. We also demonstrate ECR to ethylene at a current density of 1 A cm–2 with ethylene selectivity ≥40% using a three-dimensional Cu gas diffusion electrode, finding that this system under these conditions is rendered stable for greater than 36 h. This work illustrates that Cu-based catalysts, once they have entered into the state conventionally considered to possess degraded catalytic activity, may be recovered to deliver high C2+ selectivity. We present evidence that the combination of short periods of electrolysis, which minimizes the morphological changes during "on" segments, with the progressive chemical oxidation of Cu atoms on the catalyst surface during "off" segments, united with the added effects of washing the accumulated salt and decreasing the catholyte temperature prolong together the catalyst's operating lifetime.
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