Enduring CO Electrolysis with Ampere-Level Reaction Rates Using Nickel-Doped Iridium Catalysts

化学 电解 镍 铱 阳极 催化作用 电合成 阴极 无机化学 化学工程 电化学 电极 电解质 有机化学 工程类 物理化学
作者
Hanqi Liu,Adnan Ozden,Ruihu Lu,Ning Sun,Rui Kai Miao,Kaili Yao,Ruiyan Xie,Yi Xu,Hui Zhang,Yongfeng Hu,Ziyun Wang,Jun Li,David Sinton
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (30): 26595-26604 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.5c06853
摘要

CO2/CO electrolysis offers a scalable pathway for electrosynthesis of multicarbon fuels and chemicals. However, current systems face challenges such as low energy and carbon efficiencies when operated at industrially relevant reaction rates. Our preliminary analysis revealed that the combination of high reaction rates and product crossover-induced pH reduction accelerates anode dissolution, leading to cathode poisoning and, ultimately, performance degradation. Here, we report a strategy to mitigate these challenges by dispersing a low concentration of nickel in an iridium oxide host to promote the stability of iridium species while inhibiting the oxidation of nickel sites. We synthesize a low-valence-nickel in iridium oxide anode material that exhibits high activity and stability for oxygen evolution, while remaining inactive for the oxidation of liquid products migrating from the cathode. In situ soft X-ray photoemission spectroscopy reveals the presence of active sites comprising Ni2+ and Ir4+ species. By incorporating this catalyst into an membrane electrode assembly setup, we achieve CO electroreduction on copper with a full-cell energy efficiency of 32% and a carbon efficiency of 73% at 1000 mA per square centimeter, alongside sustained stability over 1000 h of continuous operation.
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