ACS Energy LETT：​用于二氧化碳电化学转化为甲酸盐的强大且可扩展的平台

用于二氧化碳电化学转化为甲酸盐的强大且可扩展的平台：识别提高能源效率的途径

这项工作演示了一个强大且可扩展的用于CO₂电还原(CO₂R)的电池结构。在25cm²的气体扩散电极(GDE)上使用碳负载的SnO₂电催化剂，在500 mA/cm²时CO₂R转化为甲酸盐的法拉第效率高达90%。在两极膜和阴极GDE之间使用了1.27 mm厚的阴极电解液，该电解液层经改善后可以进一步降低到几十微米。

近年来，人们致力于将CO₂ (CO₂R)电化学还原为一氧化碳、甲酸/甲酸盐、乙烯、乙醇、甲烷、和甲醇等有价值的化学添加物和燃料。这是一种很有吸引力的方法，可以利用碳化学原料，同时减少二氧化碳排放，并关闭人为碳循环。与其他CO₂R产品相比，甲酸/甲酸盐因其高产品价值而成为少数经济可行的产品之一。

1. 甲酸/甲酸盐可以用于各种商业用途，如储氢系统，用于木质素的化学配价，用作青贮添加剂。
2. 它也被用于直接甲酸燃料电池，在环境温度下产生相对较高的功率密度。
3. 甲酸还可以作为一种有效的原位氢源，将生物质和生物质衍生的平台分子转化为有价值的添加化学品。
4. 甲酸盐也可在下游生物过程中利用，利用营养体，例如Cupriavidus necator。Cupriavidus necator可将甲酸盐转化为高级醇。

将生物系统与甲酸盐的电化学生产耦合的优点是，许多能转化甲酸盐的酶也能耐受可能与甲酸盐一起形成的副产物，大大放宽了单一产物达到100%FE的需求，这对CO₂R研究提出了挑战。

虽然有几项电化学研究使用Sn或SnO₂电催化剂来实现高法拉第效率（FEs）（大于90%）以将CO₂还原为甲酸盐，但很少有研究集中于开发可扩展的结构，使这种反应能够在工业相关电流密度下(即, >100mA cm^-2）进行。

迄今为止，使用几何面积大于10 cm²的电极进行的任何研究都没有同时达到如此高的FEs和电流密度。由于没有专门为通过二氧化碳还原形成液体产品而设计的硬件，限制了这些系统的长期运行，并且使得很难确定除驱油外可能的电极降解机制。在膜和阴极之间通常使用一个大的电解质缓冲层来抑制析氢反应（HER）的动力学，并使分离液体产物更容易。然而，这种方法会导致较大的欧姆损耗，甚至在适当的电流密度下也会相应地产生较高的电池电压(≤5.3 V at 100 mA cm⁻² )。

基于以上现状，美国国家可再生能源实验室K. C. Neyerlin等在国际知名期刊ACS Energy LETTERS上发表题为“A Robust, Scalable Platform for the Electrochemical Conversion of CO₂ to Formate: Identifying Pathways to Higher Energy Efficiencies”的论文。Yingying Chen为本文第一作者。

在这项工作中，作者使用一个可扩展的电池结构，利用一个25cm^-2的气体扩散电极（GDE）和一个碳负载的SnO₂电催化剂，使其能在500mA cm^-2的情况下，以90%的FE使CO₂还原成甲酸盐。

图二.

(a)    Schematic illustration and

(b)   cell architecture for a full BPM MEA setup and

(c)    formate FE tested in this cell with Nafion or an anion exchange ionomer in the cathode GDE. A 0.5 mg cm⁻² SnO₂ loading was used in all of the tests.

文章链接:

A Robust, Scalable Platform for the Electrochemical Conversion of CO2 to Formate: Identifying Pathways to Higher Energy Efficiencies

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00860

老师简介:

K.C. Neyerlin senior scientist

K.C. Neyerlin is a senior scientist at NREL. He is currently involved in R&D activities of polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. Dr. Neyerlin has over 15 years of experience in PEM fuel cell research and development in industrial, academic, and national lab environments. He has experience in electrode development including the fabrication of both small scale membrane electrode assemblies (MEAs), via ultrasonic spray and electrospinning, and larger scale roll-to-roll production methods. Dr. Neyerlin specializes in the application of in-situ electrochemical diagnostics to elucidate the voltage loss contributions of fundamental electrochemical processes (e.g., electrochemical kinetics of catalysts, ionic and gas phase transport resistances). Dr. Neyerlin currently leads NREL's efforts in both the Fuel Cell Performance and Durability (FC-PAD) and ElectroCat consortia to quantify and improve fundamental electrode performance limitations