![]()
摘要速览
在近环境温度下电催化CO2还原需要管理阴极和阳极的质子、羟基、碳酸盐离子和碱金属离子的复杂储备，因此需要使用离子选择膜来调节ph。阴离子交换膜提供碱性环境，允许在低电池电压下还原CO2，抑制氢的释放，同时保持高转换效率。然而，当地的碱性条件和碱阳离子的存在导致碳酸盐形成甚至沉淀问题。在这里，我们报道了一种纯水(无碱阳离子)膜电极组装系统，该系统通过在正极和阳极分别集成阴离子交换膜和质子交换膜，在正向偏压下将CO2还原为乙烯。该系统有效地抑制了碳酸盐的形成，防止了盐的沉淀。放大后的电解槽在没有二氧化碳和电解质损失的情况下实现了超过1000小时的稳定性，在总电流为10 A的情况下，对乙烯具有50%的法拉第效率。
【研究背景】
1.大部分研究工作都集中在优化ECO2R催化剂的产物选择性，即法拉第效率(FE)，提高它们的生产率(电流密度)和降低还原反应的过电位。然而，在大型反应器中，仅优化ECO2R系统中的催化模块通常不能转化为更好的整体系统性能，在大型反应器中，系统稳定性是一个主要问题。2.大多数ECO2R体系都包含碱金属电解质(如KHCO3、KOH)，因为碱金属阳离子加速了ECO2R反应动力学，其活性趋势遵循Cs+ > K+ > Na+ > Li+的顺序。然而，局部碱性阴极条件会导致碳酸盐的形成，而引入碱金属阳离子甚至会导致盐的沉淀，使电解系统复杂化，导致系统整体性能不稳定。![]()
3.碱离子可以穿过阴离子交换膜(AEM)扩散到阴极的外亥姆霍兹面，阴离子(如co32−、HCO3−、HCOO−和CH3COO−)可以被输送到阳极释放CO2并被再氧化为CO2。这一过程不仅会导致CO2和产物损失，还会逐渐增加电池电压，甚至可能消耗高达70%的ECO2R到C2H4的能量输入。
2.结果与讨论
采用简单的熔融法制备了具有丰富层错和晶界的SS-Cu纳米颗粒(平均直径约为~ 60 nm)。层错和晶界有利于较高的ECO2R活性。高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和像差校正高角度环形暗场(HAADF)扫描透射电子显微镜(STEM)图像显示，SS-Cu中存在大量相互相交的堆积断层和众多交错的晶界。晶界包含Σ3重合点阵边界(孪晶界)，并形成一些典型的五重孪晶结构。这些丰富的层错和晶界可在表层诱发相当大的拉伸应变。此外，在孪晶界和层错的表面出口处也会产生阶梯状表面，从而产生配位数较低的表面Cu原子。![]()
图2 SS-Cu的形貌结构
在成功获得SS-Cu催化剂后，我们首先在常规碱性条件(1 M KOH)下的流动池中评估了其ECO2R性能。SS-Cu在约- 0.58 V时向C2H4传递了约80%的峰值FE(与可逆氢电极(RHE)相反，除非另有说明)，其中jC2H4达到~ 568 mA cm - 2, C2H4的半电池能量效率(EEhalf cell)高达~ 51%.在含有丰富K+的强酸性阴极液下，该体系在PEM组装的液流电池中提供了勉强令人满意的eco2r - c2h4性能(FEC2+为~ 48%，FEC2H4为~ 33%，jtotal为~345 mA cm - 2，电压为- 1.1 V)(图3b,d）![]()
图3 以1 M KOH/强酸为电解液，研究了SS-Cu在流动电池中的ECO2R性能
基于上述的研究，作者提出了一种pure-H2O-fed (alkali-cation-free) MEA electrolysis architecture，，该结构的设计期望是防止碳酸盐的形成/沉淀，核心概念是维持碱性阴极环境，这是有效的ECO2R对多碳产品所必需的。
![]()
![]()
ECO2R在纯水供气APMA系统中的性能
感谢作者投稿，欢迎老师同学与博主联系
可协助课题组老师招收博士后以及硕士博士推荐优质教授！
![]()
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-023-01415-4
