CO2还原，最新Nature Chemical Engineering！

第一作者：Eric W. Lees

通讯作者：Adam Z. Weber

通讯邮箱：美国劳伦斯伯克利国家实验室

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利用可再生电力进行电化学二氧化碳还原（CO₂R）是合成燃料和化学品的重要途径。

本研究中，作者利用多物理建模来解释使用Ag催化剂在膜电极组件（MEAs）中进行电化学CO₂R转化为一氧化碳（CO）的实验数据。通过测量CO₂渗透和产物生成速率，验证了一维（1D）模型。

通过Marcus-Hush-Chidsey（MHC）动力学描述了CO形成的动力学，该动力学考虑了在CO₂R过程中溶剂重组，能够准确预测实验数据。

结果表明，性能受到包括离子形成和传输、CO₂溶解度和水管理在内的竞争现象的支配。模型显示，增加膜的离子交换容量和催化剂表面积使得CO生成速率超过100 mA cm^-2，而不会对CO₂利用率产生负面影响。本文提供了如何在CO₂电解器中管理生产力和CO₂利用率之间平衡的见解。

图文导读

图1：CO₂电解器MEA的架构和模型域，包括阳极和阴极的进料，CO₂还原、（双）碳酸盐形成和渗透，以及阳极处CO₂损失的过程。

图2：实验和模型局部电流密度对于CO和H₂形成作为电池电压的函数，以及实验和模型CO₂渗透通量，以及使用MHC和Tafel模型的CO局部电流密度与实验结果的比较。

图3：在MEA中CO₂和离子物质传输的模型，包括不同电流密度下MEA内的CO₂浓度、pH、HCO₃^–浓度和CO₃^2-浓度。

图4：MEA中HCO₃⁻、CO₃²⁻和OH⁻的模型传输数作为电流密度的函数，由于扩散和电渗引起的水通量以及电流密度的净水通量。

图5：催化剂层的比表面积（SSA）和厚度对CO₂R的影响，包括CO形成局部电流密度与电池电压、CO₂利用率与总电流密度的关系。

图6：膜IEC对CO₂R的影响，包括不同IEC膜的CO局部电流密度、离子电导率、阴极催化剂层的pH和CO₂利用效率。

总结展望

本研究通过1D连续模型的实验数据验证，探讨了MEAs在CO₂还原过程中发生的多种耦合现象。模型揭示了质量和电子传输限制决定了CO₂R的极限电流密度，后者需要使用MHC理论来再现实验行为，并强调了进一步研究CO₂R中电子转移和溶剂重组性质的必要性。

模拟表明，CO₂和水在MEA中的传输由膜中的主要电荷载体定义，取决于电流密度范围。优化策略包括使用具有更强碱性固定电荷基团的阴离子交换膜，以有效传输OH^–并减轻电流诱导的膜放电。

本研究提供了对CO₂电解槽中水和离子传输动态的见解，并提出了不同的材料优化策略，为未来的实验提供了信息。

文献信息

标题：Exploring CO₂ reduction and crossover in membrane electrode assemblies

期刊：Nature Chemical Engineering

DOI：10.1038/s44286-024-00062-0