Beyond the catalyst: How electrode and reactor design determine the product spectrum during electrochemical CO2 reduction

电化学 电极 催化作用 化学 电解 还原(数学) 材料科学 氧化还原 化学工程 选择性催化还原 无机化学 循环伏安法 工程类 有机化学 物理化学 数学 几何学
作者
Jan-Bernd Vennekötter,Robert Sengpiel,Matthias Weßling
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:364: 89-101 被引量:234
标识
DOI:10.1016/j.cej.2019.01.045
摘要

As a remedy to the increasing concentration of greenhouse gases and depleting fossil resources, the electrochemical CO2 reduction closes the carbon cycle and provides an alternative carbon feedstock to the chemical and energy industry. While most contemporary research focuses on the catalyst activity, we emphasize the importance of the reactor design for an energetic efficient (EE) conversion. A design strategy for an electrochemical membrane reactor reducing CO2 to hydrogen, carbon monoxide (CO) and ethylene (C2H4) is developed. We present the stepwise development from an H-cell like setup using full-metal electrodes to a cell with gas diffusion electrodes (GDE) towards high current efficiencies (CE) at high current densities (CD). At 300 mA.cm−2 a CO-CE of 56% for a Ag GDE and a C2H4-CE of 94% for a Cu GDE are measured. The incorporation of the developed GDEs into a zero-gap assembly eliminates ohmic losses and maximizes EE, however the acidic environment of the ion exchange membrane inhibits CO2 reduction. As a compromise a thin liquid buffer layer between cathode and membrane is a prerequisite for a highly active conversion. We demonstrate that industrial relevant CDs with high CEs and EEs can only be achieved by moving beyond today’s research form catalyst development only to an integrated reactor design, which allows to exploit the viable potential of electrochemical CO2 reduction catalysts.

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