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Rational catalyst layer design enables tailored transport channels for efficient CO2 electrochemical reduction to multi-carbon products
Energy & Environmental Science ( IF 32.4 ) Pub Date : 2024-12-05 , DOI: 10.1039/d4ee03743j Jiping Sun, Bichao Wu, Zhixing Wang, Huajun Guo, Guochun Yan, Hui Duan, Guangchao Li, Ying Wang, Jiexi Wang
Energy & Environmental Science ( IF 32.4 ) Pub Date : 2024-12-05 , DOI: 10.1039/d4ee03743j Jiping Sun, Bichao Wu, Zhixing Wang, Huajun Guo, Guochun Yan, Hui Duan, Guangchao Li, Ying Wang, Jiexi Wang
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Membrane electrode assemblies (MEAs) have been developed for electrochemical conversion of CO2 to high-value multi-carbon (C2+) products at industrial current densities (j > 200 mA cm−2). However, the effective and simultaneous modulation of CO2 and H2O mass transfer within MEA remains a critical issue, particularly at the three-phase interface. Herein, CO2 and H2O channels are incorporated into the catalyst layer network to benefit the micro-environment. The balance of local CO2 and H2O at the reaction interface is attained by regulating the catalyst-coated ionomer. In situ DEMS further confirms that the rational routes are successfully established for mass transfer management. The interfacial distribution of CO2 and H2O is in-depth investigated via in situ ATR-SEIRAS and molecular dynamics (MD) simulation. Through reasonable catalyst layer design, CO2-to-C2+ performance is substantially enhanced, exhibiting remarkable selectivity to C2+ products with a faradaic efficiency (FE) of 89.4 ± 0.69% and a partial current density of 536 ± 4.14 mA cm−2. The optimized Cu-GDE also exhibits excellent stability of >10 h at a total current of 2 A.
中文翻译:
合理的催化剂层设计可实现量身定制的传输通道,以实现高效的 CO2 电化学还原为多碳产品
膜电极组件 (MEA) 已被开发用于在工业电流密度 (j > 200 mA cm-2) 下将 CO2 电化学转化为高价值多碳 (C2+) 产品。然而,MEA 中 CO2 和 H2O 传质的有效和同步调制仍然是一个关键问题,尤其是在三相界面处。在此,CO2 和 H2O 通道被整合到催化剂层网络中,以有利于微环境。通过调节催化剂包被的离聚物,可以在反应界面上实现局部 CO2 和 H2O 的平衡。原位DEMS 进一步确认已成功建立合理的路由以进行质量传递管理。通过原位 ATR-SEIRAS 和分子动力学 (MD) 模拟深入研究了 CO2 和 H2O 的界面分布。通过合理的催化剂层设计,CO2 对 C2+ 性能得到显著提高,对 C2+ 产物表现出显着的选择性,法拉第效率 (FE) 为 89.4 ± 0.69%,部分电流密度为 536 ± 4.14 mA cm-2。优化的 Cu-GDE 在 2 A 的总电流下还表现出出色的 >10 h 稳定性。
更新日期:2024-12-05
中文翻译:

合理的催化剂层设计可实现量身定制的传输通道,以实现高效的 CO2 电化学还原为多碳产品
膜电极组件 (MEA) 已被开发用于在工业电流密度 (j > 200 mA cm-2) 下将 CO2 电化学转化为高价值多碳 (C2+) 产品。然而,MEA 中 CO2 和 H2O 传质的有效和同步调制仍然是一个关键问题,尤其是在三相界面处。在此,CO2 和 H2O 通道被整合到催化剂层网络中,以有利于微环境。通过调节催化剂包被的离聚物,可以在反应界面上实现局部 CO2 和 H2O 的平衡。原位DEMS 进一步确认已成功建立合理的路由以进行质量传递管理。通过原位 ATR-SEIRAS 和分子动力学 (MD) 模拟深入研究了 CO2 和 H2O 的界面分布。通过合理的催化剂层设计,CO2 对 C2+ 性能得到显著提高,对 C2+ 产物表现出显着的选择性,法拉第效率 (FE) 为 89.4 ± 0.69%,部分电流密度为 536 ± 4.14 mA cm-2。优化的 Cu-GDE 在 2 A 的总电流下还表现出出色的 >10 h 稳定性。