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CO2电解是一种很有前景的碳循环技术。目前，仍然需要显著提高能量效率才能实现其商业化。为了合理地设计更高效的 CO2 电解槽，需要诊断工具来查明工作中整个电池的电压损失来源。本文开发了一种五电极技术来探测典型零间隙电池中阴极、阳极、膜及其界面的电压降。研究表明阴极/膜离子界面是过电势的主要来源，在 600 mA cm-2 下贡献了 720 mV 电压损失。这种损失可以通过将催化剂直接涂在膜上以降低离子电阻来减轻，其在相同的电流密度下可以将这种电压损失降低到 80 mV。改进后的设计能够在 800 mA cm-2 下实现 3.55 V 的全电池性能和 >95% 的 CO 法拉第效率，这是目前使用稀碳酸氢盐电解液进行 CO2 电解的最高性能。五电极技术提供的视角可能会指导未来基于膜的电化学电池的合理设计。
背景介绍
碳循环利用技术有可能抵消 CO2 捕获的成本，同时为燃料和聚合物等化石燃料衍生产品提供可持续的替代品。低温（<100 °C）CO2电解是一种很有前景的碳循环利用技术，可用于生产聚合物和柴油前体（乙烯、一氧化碳）以及液体燃料（甲酸和乙醇）。在典型的 CO2 电解槽中，电化学 CO2 还原 (CO2R) 发生在阴极，而水或燃料原料（例如氢气、甘油）是在阳极氧化，电极之间有聚合物膜以促进离子传导。用于 CO2 电解的最具商业相关性的电池配置是零间隙配置，其中催化剂涂层基板被直接压缩到离子导电聚合物膜上。零间隙阴离子交换膜 (AEM) 配置使用市售的高碳酸盐导电膜和离聚物粘合剂，在工业级电流密度 (>400 mA cm–2) 下实现了约 40% 的能量效率。目前的研究工作主要集中在改进单个组件（催化剂、膜）上；但是，在整个设备级别上实现更高的性能仍然具有挑战性，这是因为在工作条件下，整个电池性能还受到超出单个组件特性因素的影响。因此，迫切需要开发一种操作工具来评估组件及其界面在相关条件下的性能，以加速 CO2 电解的商业化发展。
图文解析
图1. 使用三个参比电极将 CO2 电还原为CO的标准零间隙配置示意图。总能量损失与每个组件的过电位有关。过电位可分为三种类型：传质过电位、动力学过电位和传导过电位。准参比电极线通过开路电位测量对外部参比电极进行验证，电池处于开路状态。
图2. 使用 (a) 零间隙或 (b) 催化剂涂层膜配置的 CO2 电解槽的关键元件，(c) AgBr 准参比电极丝（位置在膜上）示意图以及随附的垫圈，(d) 阴离子交换膜热压法示意图。
图3. (a) 用于零间隙配置的气体扩散层上的银阴极的扫描电子显微镜图像，和 (b) 具有元素mapping图像的催化剂涂层膜 (CCM) 的扫描电子显微镜图像。对于 (c) 零间隙配置和 (d) CCM 配置（使用 Orion AMX 2.8 作为阴离子交换膜和循环 CO2-饱和的 10 mM KHCO3 阳极电解液），在 40 °C 下将 CO2 电化学还原为 CO 的伏安性能分解为欧姆和非欧姆过电位。在每个电流保持实验中进行 10 到 15 分钟之间的 GC 测量。
图4. (a) 使用电化学阻抗谱测量阴极和阳极电阻，并通过分布式弛豫时间 (DRT) 方法对零间隙、完全催化剂涂层膜 (CCM) 和仅阴极涂层膜 (CCMCathode) 配置进行解卷积。(b) CCMCathode 阴极阻抗的 DRT 结果。插图是根据叠加在 200 mA cm-2 下获得的实验数据的 DRT 结果计算出的奈奎斯特图。
图5.对于使用 Orion AMX 2.8 AEM（对照）的仅阴极催化剂涂层膜配置 (CCMCathode)，以及具有退火 IrO2 阳极和阳极电解液 (10 mM KHCO3) 补充（稳定阳极）的改良 CCMCathode，进行 pH 故障诊断测试。在整个实验过程中在 200 mA cm–2 下获取的 (a) 过电势曲线和 (b) 阴极和阳极阻抗谱。
总结与展望
综上所述，本文开发了一种五电极测量技术，以合理改进 CO2 电解槽配置并丰富 EIS 和稳定性测试方法。使用这种技术发现阴极-膜界面的离子电导率较差。研究发现通过在膜上涂上催化剂可以缓解这种情况，从而能够使用稀电解质进行高性能 CO2 电解。该技术的便利性使得只需要对电化学电池的垫圈进行修改。这使得这项工作不仅对 CO2 电解，而且对于其他基于膜的电化学系统的通用完整设备诊断平台开发都具有重要意义。
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