High-Rate and Efficient Ethylene Electrosynthesis Using a Catalyst/Promoter/Transport Layer

电合成 催化作用 法拉第效率 化学工程 乙烯 电解 化学 吸附 材料科学 电化学 表面改性 无机化学 电解质 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
Adnan Ozden,Fengwang Li,Francisco Pelayo García de Arquer,Alonso Rosas‐Hernández,Arnaud Thevenon,Yuhang Wang,Sung‐Fu Hung,Xue Wang,Bin Chen,Jun Li,Joshua Wicks,Mingchuan Luo,Ziyun Wang,Theodor Agapie,Jonas C. Peters,Edward Hartley Sargent,David A. Sinton
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:5 (9): 2811-2818 被引量:181
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.0c01266
摘要

Carbon dioxide (CO 2 ) electroreduction to valuable chemicals such as ethylene is an avenue to store renewable electricity and close the carbon cycle. Membrane electrode assembly (MEA) electrolyzers have attracted recent interest in light of their high stability and despite low productivity (a modest partial current density in CO 2 -to-ethylene conversion of approximately 100 mA cm –2 ). Here we present an adlayer functionalization catalyst design: a catalyst/tetrahydro-phenanthrolinium/ionomer (CTPI) interface in which the catalytically active copper is functionalized using a phenanthrolinium-derived film and a perfluorocarbon-based polymeric ionomer. We find, using electroanalytical tools and operando spectroscopies, that this hierarchical adlayer augments both the local CO 2 availability and the adsorption of the key reaction intermediate CO on the catalyst surface. Using this CTPI catalyst, we achieve an ethylene Faradaic efficiency of 66% at a partial current density of 208 mA cm –2 —a 2-fold increase over the best prior MEA electrolyzer report—and an improved full-cell energy efficiency of 21%.
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