第一作者：Eric W. Lees

通訊作者：Adam Z. Weber

通訊郵箱：美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室

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利用可再生電力進(jìn)行電化學(xué)二氧化碳還原（CO₂R）是合成燃料和化學(xué)品的重要途徑。

本研究中，作者利用多物理建模來解釋使用Ag催化劑在膜電極組件（MEAs）中進(jìn)行電化學(xué)CO₂R轉(zhuǎn)化為一氧化碳（CO）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過測量CO₂滲透和產(chǎn)物生成速率，驗(yàn)證了一維（1D）模型。

通過Marcus-Hush-Chidsey（MHC）動(dòng)力學(xué)描述了CO形成的動(dòng)力學(xué)，該動(dòng)力學(xué)考慮了在CO₂R過程中溶劑重組，能夠準(zhǔn)確預(yù)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

結(jié)果表明，性能受到包括離子形成和傳輸、CO₂溶解度和水管理在內(nèi)的競爭現(xiàn)象的支配。模型顯示，增加膜的離子交換容量和催化劑表面積使得CO生成速率超過100 mA cm^-2，而不會(huì)對(duì)CO₂利用率產(chǎn)生負(fù)面影響。本文提供了如何在CO₂電解器中管理生產(chǎn)力和CO₂利用率之間平衡的見解。

圖文導(dǎo)讀

圖1：CO₂電解器MEA的架構(gòu)和模型域，包括陽極和陰極的進(jìn)料，CO₂還原、（雙）碳酸鹽形成和滲透，以及陽極處CO₂損失的過程。

圖2：實(shí)驗(yàn)和模型局部電流密度對(duì)于CO和H₂形成作為電池電壓的函數(shù)，以及實(shí)驗(yàn)和模型CO₂滲透通量，以及使用MHC和Tafel模型的CO局部電流密度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。

圖3：在MEA中CO₂和離子物質(zhì)傳輸?shù)哪Ｐ?，包括不同電流密度下MEA內(nèi)的CO₂濃度、pH、HCO₃^–濃度和CO₃^2-濃度。

圖4：MEA中HCO₃^?、CO₃^2?和OH^?的模型傳輸數(shù)作為電流密度的函數(shù)，由于擴(kuò)散和電滲引起的水通量以及電流密度的凈水通量。

圖5：催化劑層的比表面積（SSA）和厚度對(duì)CO₂R的影響，包括CO形成局部電流密度與電池電壓、CO₂利用率與總電流密度的關(guān)系。

圖6：膜IEC對(duì)CO₂R的影響，包括不同IEC膜的CO局部電流密度、離子電導(dǎo)率、陰極催化劑層的pH和CO₂利用效率。

總結(jié)展望

本研究通過1D連續(xù)模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，探討了MEAs在CO₂還原過程中發(fā)生的多種耦合現(xiàn)象。模型揭示了質(zhì)量和電子傳輸限制決定了CO₂R的極限電流密度，后者需要使用MHC理論來再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)行為，并強(qiáng)調(diào)了進(jìn)一步研究CO₂R中電子轉(zhuǎn)移和溶劑重組性質(zhì)的必要性。

模擬表明，CO₂和水在MEA中的傳輸由膜中的主要電荷載體定義，取決于電流密度范圍。優(yōu)化策略包括使用具有更強(qiáng)堿性固定電荷基團(tuán)的陰離子交換膜，以有效傳輸OH^–并減輕電流誘導(dǎo)的膜放電。

本研究提供了對(duì)CO₂電解槽中水和離子傳輸動(dòng)態(tài)的見解，并提出了不同的材料優(yōu)化策略，為未來的實(shí)驗(yàn)提供了信息。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Exploring CO₂ reduction and crossover in membrane electrode assemblies

期刊：Nature Chemical Engineering

DOI：10.1038/s44286-024-00062-0