Flow-electrode capacitive separation of organic acid products and recovery of alkali cations after acidic CO 2 electrolysis

电解 碱金属 电极 无机化学 电容感应 电容去离子 化学 流量(数学) 电化学 电解质 有机化学 电气工程 物理化学 物理 机械 工程类
作者
Yong Jiang,Gaoying Wu,Ying Pu,Yue Wang,Na Chu,Raymond Jianxiong Zeng,Xudong Zhang,Xiangdong Zhu,Peng Liang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (41): e2408205121-e2408205121 被引量:17
标识
DOI:10.1073/pnas.2408205121
摘要

Acidic CO 2 electrolysis, enhanced by the introduction of alkali cations, presents a strategic approach for improving carbon efficiency compared to processes conducted in neutral and alkaline environments. However, a significant challenge arises from the dissolution of both organic acids and alkali cations in a strongly acidic feed stream, resulting in a considerable energy penalty for downstream separation. In this study, we investigate the feasibility of using flow-electrode capacitive deionization (FCDI) technology to separate organic acids and recover alkali cations from a strongly acidic feed stream (pH ~ 1). We show that organic acids, such as formic acid and acetic acid, are retained in molecular form in the separation chamber, achieving a rejection rate of over 90% under all conditions. Alkali cations, such as K + and Cs + , migrate to the cathode chamber in ionic form, with their removal and recovery significantly influenced by their concentration and the pH of the feed stream, but responding differently to the types and concentrations of organic acids. The energy consumption for the removal and recovery of K + is 4 to 8 times higher than for Cs + , and the charge efficiency is significantly influenced by the types of organic acid products and alkali cations. We conduct a series of electrochemical measurements and analyze the impedance spectroscopy, identifying that hindered mass transfer governed the electrode process. Our findings underscore the potential of FCDI as an advanced downstream separation technology for acidic electrocatalysis processes.
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