Tre strategier som används i denna studie för att modulera lokal CO2-koncentration i ett katalysatorskikt (överst) och förhållandet mellan lokal CO2-koncentration och selektiviteten för flerkolprodukter (nederst). Observera att maximal selektivitet uppnås vid en måttlig lokal CO2-koncentration. Kredit:Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
En forskargrupp från KAIST presenterade tre nya metoder för att modulera lokal koldioxid (CO 2 ) koncentration i gasdiffusionselektrod (GDE)-baserade flödeselektrolysatorer. Deras studie visade också empiriskt att tillhandahålla en måttlig lokal CO 2 koncentration är effektiv för att främja kol-kol (C-C) kopplingsreaktioner mot produktion av flerkolmolekyler. Detta jobb, med i numret av Joule den 20 maj, fungerar som en rationell guide för att trimma CO 2 masstransport för optimal produktion av värdefulla flerkolprodukter.
Mitt i globala ansträngningar för att minska och återvinna antropogen koldioxid 2 utsläpp, CO 2 elektrolys har ett stort löfte för omvandling av CO 2 till användbara kemikalier som traditionellt härrörde från fossila bränslen. Många undersökningar har försökt förbättra selektiviteten av CO 2 för kommersiellt och industriellt högvärdiga flerkolprodukter såsom eten, etanol, och 1-propanol, på grund av deras höga energitäthet och stora marknadsstorlek.
För att uppnå den mycket selektiva omvandlingen av CO 2 till värdefulla flerkolprodukter, tidigare studier har fokuserat på design av katalysatorer och inställning av lokal miljö relaterad till pH, katjoner, och molekylära tillsatser.
Konventionell CO 2 elektrolytiska system förlitade sig starkt på en alkalisk elektrolyt som ofta förbrukas i stora mängder när den reagerar med CO 2 , och därmed lett till en ökning av driftskostnaderna. Dessutom, livslängden för en katalysatorelektrod var kort, på grund av dess inneboende kemiska reaktivitet.
I deras senaste studie, en grupp KAIST-forskare ledda av professor Jihun Oh från Institutionen för materialvetenskap och teknik rapporterade att den lokala CO 2 koncentrationen har varit en förbisedd faktor som i hög grad påverkar selektiviteten mot flerkolprodukter.
Professor Oh och hans forskare Dr. Ying Chuan Tan, Hakhyeon Song, och Kelvin Berm Lee föreslog att det finns en intim relation mellan lokal CO 2 och flerkolsproduktselektivitet under elektrokemisk CO 2 reduktionsreaktioner. Teamet använde masstransportmodellering av en GDE-baserad flödeselektrolysator som använder nanopartiklar av kopparoxid (Cu2O) som modellkatalysatorer. De identifierade och tillämpade sedan tre metoder för att modulera den lokala CO 2 koncentration inom ett GDE-baserat elektrolytiskt system, inklusive 1) kontroll av katalysatorskiktets struktur, 2) CO 2 foderkoncentration, och 3) matningsflödeshastighet.
Tvärtemot vanlig intuition, studien visade att ge en maximal CO 2 transport leder till suboptimal faradaisk effektivitet i flera kolprodukter. Istället, genom att begränsa och tillhandahålla en måttlig lokal CO 2 koncentration, C–C-kopplingen kan förbättras avsevärt.
Forskarna visade experimentellt att selektiviteten ökade från 25,4 % till 61,9 %, och från 5,9 % till 22,6 % för CO 2 omvandlingsfrekvens. När en billig mildare nästan neutral elektrolyt användes, stabiliteten hos CO 2 elektrolytiska systemet förbättrats i stor utsträckning, tillåter över 10 timmars stadig selektiv produktion av flerkolprodukter.
Dr Tan, tidningens huvudförfattare, sa, "Vår forskning visade tydligt att optimeringen av den lokala CO 2 koncentration är nyckeln till att maximera effektiviteten av att omvandla CO 2 till högvärdiga flerkolprodukter."
Professor Oh tillade, "Detta fynd förväntas leverera nya insikter till forskarsamhället om variabler som påverkar lokal CO 2 koncentrationen är också inflytelserika faktorer i den elektrokemiska CO 2 reduktionsreaktionsprestanda. Jag och mina kollegor hoppas att vår studie blir en hörnsten för relaterade teknologier och deras industriella tillämpningar."
