Nature子刊:液相阳极工艺策略助力CO2RR,实现48%的总碳效率


01【导读】

将二氧化碳(CO2)电化学还原为多碳产品 (C2+)是减少CO2净排放量的有前景的方法,为获得有价值的化学品和燃料提供了途径,对于实现碳中和和碳达峰具有重要意义。目前,最好的二氧化碳还原(CO2RR)流通池系统和零间隙膜电极组件 (MEA) 系统可实现 70% 的C2+法拉第效率 (FE)以及超过1 A cm−2(在流通池系统中)和100 mA cm−2(在MEA中)的局部电流密度。就工业应用而言,这些生产力水平引起了产业界的关注和广泛的研究兴趣。

然而,与下游CO2分离相关的主要能源和经济损失仍然是一个挑战。回收CO2的成本特别高,在中性和碱性介质 CO2到C2+电解槽,分别需要25%和70%的总能量输入。另一方面,目前的CO2RR催化剂在高碱性局部条件(pH>12)下运行,以促进阴极C2+的生成。然而,形成碳酸盐的副反应(CO2+OH- → CO32-或HCO3-)在碱性条件下是有利的,消耗了注入的大部分CO2。虽然在膜电极组件电池中使用中性电解质(例如 KHCO3)操作可减轻CO2损失。然而,大量的输入CO2(比转化为C2+的部分多约 3 倍)以碳酸盐/碳酸氢盐的形式穿过阴离子交换膜 (AEM) 到达阳极,与阳极反应产生的质子结合并转化回二氧化碳。在阳极侧,交叉CO2与通过析氧反应 (OER) 产生的O2结合产生 60-80% CO2和 20-40% O2的气体混合物。这种混合物不能直接循环到阴极,因为氧还原将在阴极占主导地位。因此,需要在阳极下游分离CO2,每生产一吨乙烯会增加50-100 GJ的能源损失,其能源成本高于石化乙烯生产的能源消耗。

02【成果掠影】

近日,加拿大多伦多大学Edward H. Sargent和David Sinton等人将CO2RR与葡萄糖氧化反应 (GOR) 结合起来,并展示了液相阳极工艺策略作者证明使用该工艺可以通过简便的气液分离回收交叉的CO2,而无需额外的能量输入:阳极尾气可以与新鲜的CO2原料一起直接送入阴极输入。与最先进的单级CO2-to-C2+装置相比,这种系统表现出1.9 V的低全电池电压和48%的总碳效率,可实现262 GJ/吨乙烯,能源强度降低46%。在中性和碱性电解质中,该策略与当今最高效的电解槽和CO2催化剂兼容,可发挥最佳功能。

相关研究成果以“Eliminating the need for anodic gas separation in CO2 electroreduction systems via liquid-to-liquid anodic upgrading”为题发表在Nature Communications上。

03【核心创新点】

  1. 作者将CO2RR与中性介质中的全液体阳极反应配对,在可再生化学品和燃料的电合成中实现了高碳效率和低能量输入。实施这一策略的关键是将阴极和阳极上的催化剂质量负载配对,以最大限度地提高 CO2RR产物选择性并同时最大限度地降低阳极OER选择性。穿过阳极的CO2从阳极下游回收,纯度>99%;
  2. 通过将CO2回流到上游阴极,该策略实现了高达75%的CO2转化率。该组合系统在100 mA cm-2的电流密度下实现了1.90 V的低全电池电势,并且C2+产物的稳定电合成时间超过80 h,同时保持了45%的高CO2转化率。考虑到总电力和下游分离能源成本,这种方法实现了每生产一吨乙烯的总能源强度为 262 GJ,比以前的CO2RR电解槽低约46%。这项工作为CO2RR电解提供了一条高碳效率途径。

04【数据概览】

图一、全液体阳极可实现二氧化碳回收和低能耗乙烯© 2022 The Authors

图二、MEA电解槽催化剂的电子显微镜表征© 2022 The Authors

图三、CO2RR-GOR 电解系统的性能 阴极和阳极上的质量负载为Cu:0.5mgcm-2和Pt:2mgcm-2© 2022 The Authors

图四、CO2RR-GOR 系统在50°C低CO2可用性下的性能 阴极和阳极上的质量负载为Cu:0.5mgcm-2和Pt:2mgcm-2© 2022 The Authors

作者简介

Edward H. Sargent教授是材料学和光子学领域世界著名科学家。因其在可溶液相处理的半导体太阳能电池和光探测器研究中所做出的贡献,当选Fellow of the AAAS; 因其在胶体量子点光电子器件研究中所作出的贡献,当选Fellow of the IEEE;因其在利用量子限域材料制备全光谱太阳能电池和超灵敏光探测器研究中所做出的贡献,当选加拿大工程院院士。他在Nature和Science等国际顶级期刊发表论文多篇,目前已获引用超过68,000次,其中有超过100篇论文的引用次数超过100次。Edward H.Sargent教授现任多伦多大学副校长职位,主要负责国际合作。基于其独特的研究工作和开发的技术,他成立了InVisage Technologies(Apple Inc)和Xagenic两家澳客彩票客户端App下载-手机澳客彩票客户端app下载公司,致力于红外成像以及基因检测。

文献链接:Eliminating the need for anodic gas separation in CO2 electroreduction systems via liquid-to-liquid anodic upgrading. Nat. Commun. 2022, 13, 3070.

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