Scaling Low-Temperature CO2-to-Syngas Electroreduction: Failure Modes, Engineering Bottlenecks, and Mitigation Strategies

作者
Senthilkumar Pachamuthu,Jing Gao,Adnan Ozden,Ulrich Legrand,Marco Favaro,Mark Andrew Isaacs,Francisco Pelayo García de Arquer,Cátia Azenha,Adélio Mendes,Edward Hartley Sargent,Csaba Janáky,Michaël Grätzel,Pablo Jiménez‐Calvo
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:11 (7): 4813-4836 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.6c00886
摘要

Abstract Low-temperature CO2 electroreduction (CO2eR) to syngas offers tunable H2:CO ratios and a renewable route to decarbonized syngas production, yet catalyst-level advances rarely translate to scalable, durable systems. This review addresses that disconnect with a systems-engineering perspective. We first establish the component foundations, electrolytes, membranes, and cell architectures of flow cells and zero-gap membrane electrode assembly (MEA) electrolyzers, together with integrated versus decoupled syngas production modes, then analyze the engineering failure modes that dominate at scale: non-uniform current distribution, localized hotspots, electrode flooding, salt precipitation, and thermal gradients. Single-pass CO2 conversion efficiency (SPCE) is introduced as a co-equal metric alongside Faradaic and energy efficiency (FE/EE). Original contributions include a standardized accelerated stress test (AST) protocol, a lifecycle sustainability assessment (LCSA) framework with quantitative carbon footprint benchmarking, a mitigation strategy compatibility matrix, and three-benchmark design pathways targeting high EE, high stability, and high SPCE, providing an actionable systems-engineering roadmap toward CO2eR systems sustaining >5000 h at industrially relevant current densities.

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