En ny strategi for optimal elektroreduktion af CO2 til højværdiprodukter

Et KAIST-forskerhold præsenterede tre nye tilgange til modulering af lokal kuldioxid (CO ₂ ) koncentration i gasdiffusionselektrode (GDE)-baserede flowelektrolysatorer. Deres undersøgelse viste også empirisk, at det giver en moderat lokal CO ₂ koncentration er effektiv til at fremme kulstof-kulstof (C-C) koblingsreaktioner mod produktion af multi-kulstofmolekyler. Dette arbejde, fremhævet i Joule 20. maj, fungerer som en rationel guide til at tune CO ₂ massetransport for optimal produktion af værdifulde multi-carbon produkter.

Midt i en global indsats for at reducere og genanvende menneskeskabt CO ₂ emissioner, CO ₂ elektrolyse lover meget for omdannelse af CO ₂ til brugbare kemikalier, der traditionelt var afledt af fossile brændstoffer. Mange undersøgelser har forsøgt at forbedre selektiviteten af ​​CO ₂ til kommercielt og industrielt multi-carbon produkter af høj værdi, såsom ethylen, ethanol, og 1-propanol, på grund af deres høje energitæthed og store markedsstørrelse.

For at opnå den meget selektive omdannelse af CO ₂ til værdifulde multikulstofprodukter, tidligere undersøgelser har fokuseret på design af katalysatorer og justering af det lokale miljø relateret til pH, kationer, og molekylære tilsætningsstoffer.

Konventionel CO ₂ elektrolytiske systemer var stærkt afhængige af en alkalisk elektrolyt, der ofte forbruges i store mængder, når de reagerer med CO ₂ , og dermed ført til en stigning i driftsomkostningerne. I øvrigt, levetiden for en katalysatorelektrode var kort, på grund af dets iboende kemiske reaktivitet.

I deres nylige undersøgelse, en gruppe KAIST-forskere ledet af professor Jihun Oh fra Institut for Materialevidenskab og Teknik rapporterede, at den lokale CO ₂ koncentration har været en overset faktor, der i høj grad påvirker selektiviteten over for multi-carbon produkter.

Professor Oh og hans forskere Dr. Ying Chuan Tan, Hakhyeon sang, og Kelvin Berm Lee foreslog, at der er et intimt forhold mellem lokal CO ₂ og multi-carbon produktselektivitet under elektrokemisk CO ₂ reduktionsreaktioner. Holdet brugte massetransportmodellering af en GDE-baseret flowelektrolysator, der bruger kobberoxid (Cu2O) nanopartikler som modelkatalysatorer. De identificerede og anvendte derefter tre tilgange til at modulere den lokale CO ₂ koncentration i et GDE-baseret elektrolytisk system, herunder 1) styring af katalysatorlagstrukturen 2) CO ₂ foderkoncentration, og 3) fødestrømningshastighed.

I modsætning til almindelig intuition, undersøgelsen viste, at give en maksimal CO ₂ transport fører til suboptimal faradaisk multi-carbon produkt effektivitet. I stedet, ved at begrænse og give en moderat lokal CO ₂ koncentration, C-C kobling kan forbedres betydeligt.

Forskerne demonstrerede eksperimentelt, at selektivitetsraten steg fra 25,4 % til 61,9 %, og fra 5,9 % til 22,6 % for CO ₂ omregningskurs. Når en billig mildere næsten neutral elektrolyt blev brugt, CO -stabiliteten ₂ elektrolytisk system forbedret i høj grad, tillader mere end 10 timers konstant selektiv produktion af multi-carbon produkter.

Dr. Tan, hovedforfatter til papiret, sagde, "Vores forskning afslørede klart, at optimeringen af ​​den lokale CO ₂ koncentration er nøglen til at maksimere effektiviteten af ​​at omdanne CO ₂ til højværdi multi-carbon produkter."

Professor Oh tilføjede, "Dette resultat forventes at levere ny indsigt til forskersamfundet om, at variabler påvirker lokal CO ₂ koncentration er også indflydelsesrige faktorer i den elektrokemiske CO ₂ reduktionsreaktionsydelse. Mine kolleger og jeg håber, at vores undersøgelse bliver en hjørnesten for relaterede teknologier og deres industrielle anvendelser."