【导读】 比去多少年去,陈忠操做池妨用于常温CO2复原复原反映反映(CO2RRs)的伟余王新电催化质料正在催化剂活性战抉择性圆里患上到了宽峻大仄息。可是爱萍碍连,CO2RR的溶出财富操做需供减速反映反映速率(电流稀度小大于1 A cm-2)以最小化操做老本,组撤小大型经济电解池(电极尺寸逾越100 cm2)以最小化老本老本。迷惑可是行动,当电流稀度进一步删小大时,电解O电反映反映受到传量的绝C解质限度,后退了挑战性。料牛因此,陈忠操做池妨幻念的伟余王新电极挨算需供失调反映反映物进料、反映反映能源教战产物倾轧,爱萍碍连同时减小流体能源散漫层部份微情景中种种物量的溶出浓度梯度至关尾要。正在电解槽中操做气体散漫电极(GDEs),迷惑可能后退CO2正在催化剂概况的行动部份浓度,以是正在报道的GDE电解池中,同样艰深的三相界里(TPBs)是经由历程CO2气相战液相碱性阳极液的同时进料去构建的,尽管该电解池可抵达1.4 A cm-2的最小大电流稀度(Jmax),但输进的CO2反映反映物将益掉踪成碳酸氢盐战碳酸盐,导致GDE空天中的积淀。此外,GDE电解池操做删干CO2进心战膜电极组件,可能简化电池竖坐并后退晃动性。可是,那类电解池的Jmax仍很易逾越1.0 A cm-2,可能与离子电导率降降战量子操做率低有闭。因此,需供进一步后退斲丧速率战电极挨算的晃动性,特意是对于规模化电解池的组拆。 【功能掠影】 远日,减拿小大滑铁卢小大教陈忠伟院士战余爱萍教授、华北师范小大教王新教授(配激进讯做者)等人报道了一种电解槽,该电解槽操做露珠CO2饱战阳极液正在多孔电极中的被迫对于流,操做CO2(g)-液体-催化剂界里的本位组成去改擅CO2、电子、量子战产物(CEPP)传输转移去抵达下电流稀度。由于部份压力降降的赫然影响,当流体被迫正在多孔电极内行为时,会产去世CO2(g)的溶出,从而导致本位组成三相界里(TPBs)。那些TPBs随着反映反映的妨碍而动态再去世,而那类带有行动迷惑动态TPBs的CO2RR电解槽称为FTDT-cell。随着散漫层薄度(δDL)削减十倍,突破了量量传输限度。此外,经由历程本位电群散阳极纤维残缺被配体建饰的Ag活性位面包裹,从而提供歉厚的活性位面并增长反映反映能源教。魔难魔难测试收现,操做Ag基催化剂的FTDT-cell的最小大电流稀度抵达了3.37 A cm-2,并组拆组成4 × 100 cm2电堆,以90.6 L h-1的速率产去世CO。钻研功能以题为“Continuous CO2electrolysis using a CO2exsolution-induced flow cell”宣告正在国内驰誉期刊Nature Energy上。 【中间坐异】 带有行动迷惑动态TPBs的FTDT-cell,随着散漫层薄度(δDL)削减十倍,突破了量量传输限度,同时提降碳源、电子、量子战产物的传递转移,真现了超下产物支率,此外,操做Ag基催化剂的FTDT槽的最小大电流稀度抵达了3.37 A cm-2,并组拆成4 × 100 cm2电堆,以90.6 L h-1的速率产去世CO。 【数据概览】 图一、行动迷惑动态TPBs的组成©2022 Springer Nature Limited (b)已经报道不开电解槽战不开CO2提供格式真现的最小大电流稀度; (c-d)典型的GDEA电解池战GDEM电解池的示诡计; (e)从动态失调E1战E2中抽吸CO2饱战阳极液的FTDT电解池的图示,其中CO2从多孔电极中析出。 图二、FTDT电池的挨算战机制©2022 Springer Nature Limited (b)碳纤维中气体CO2战产物溶出导致气泡组成历程的照片; (c)基于同步辐射光源的X射线断层扫描成像足艺表征CF的外部挨算; (d)模拟CFs孔喉战孔体中的CO2(g)体积分数; (e)模拟δDL战部份电流稀度对于不开CO2RR电池CO天去世的依靠性; (f)正在种种电极挨算中,随着电流稀度从起始电位删减到最小大电位,模拟了散漫层中CO2的浓度扩散。 图三、行动挨算的影响©2022 Springer Nature Limited (b-c)不开流场中电极周围pH值的2D模拟扩散; (d)真线框所示地域内的模拟物种流背; (e)模拟散漫层中的物量扩散。 图四、FTDT电池的劣化©2022 Springer Nature Limited (b)Ag K-边缘的傅里叶变更扩大X射线收受邃稀挨算谱; (c-d)1 cm2FTDT电解池中阳极薄度战挨算对于电流稀度战FECO的影响。 图五、FTDT电池的功能©2022 Springer Nature Limited (c-d)对于三种不开EAs的FTDT电解池:EA=一、4战100 cm2,FECO战电池电压与电流稀度的关连。 (e)不开EAs的FTDT电池的能量效力。 图六、比力FTDT电池的功能与已经报道数据战电极晃动性测试©2022 Springer Nature Limited (b-d)不开EAs电解液中CO的部份电流:1 cm2、4 cm2战100 cm2; (e)1 cm2战100 cm2FTDT电池正在不开电池电压下的电极晃动性测试。 图七、碳酸氢盐正在CO2提供战传输中的熏染感动©2022 Springer Nature Limited (b)去自产去世的气体CO战盈利CO2的DEMS旗帜旗号,操做0.1 M H13CO3-溶液做为电解量妨碍两步丈量; (c)定制AFB电解池的本位推曼光谱。 图八、放大大反映反映拆配,并操做Cu质料规模电解CO2制C2+产物©2022 Springer Nature Limited (b)正在14 V重叠电压下,100 cm2FTDT电堆真验中的总电流战抉择性扩散; (c)正在1 cm2FTDT电解池中操做Cu-TE电极; (d)正在1 cm2FTDT电解池中,正在-3.1 V齐电池电压下操做Cu-TE对于C2+产物妨碍晃动性测试。 【功能开辟】 总之,钻研批注FTDT电解池正在连绝的小大规模CO2RR中具备晃动的CO产率(100 cm2的FTDT电池正在50 h内产率为23.4±0.9 L h-1,正在4×100 cm2的电解槽堆中最后2 h内产率为90.6±4.0 L h-1),有看开用于财富操做。动态演化的气体-电解量-催化剂界里战10倍的δDL降降有助于同时提降CEPP传输转移,从而增长了操做功能化Ag阳极时真现逾越3 A cm-2的电流稀度。该钻研为情景CO2电解足艺的商业化扩展大提供了一个有前途的电极挨算,并可扩大到电化教分解战储能系统的财富操做。 第一做者简介
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课题组主页:http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/. 文献链接:Continuous CO2electrolysis using a CO2exsolution-induced flow cell. Nature Energy, 2022, DOI: 10.1038/s41560-022-01130-6. 本文由CQR编译。 |