Chemostructurally Stable Polyionomer Coatings Regulate Proton-Intermediate Landscape in Acidic CO2 Electrolysis

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作者
Bárbara B. Polesso,Adrián Pinilla-Sánchez,Eman H. Ahmed,Anku Guha,Marinos Dimitropoulos,Blanca Belsa,Viktoria Golovanova,Lu Xia,Ranit Ram,Sunil Kadam,Aparna Mini Das,Junmei Chen,Johann Osmond,Adam Radek Martínez,Melanie Micali,Esther Alarcón‐Lladó,F. Pelayo Garcı́a de Arquer
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (31): 27278-27288 被引量:12
标识
DOI:10.1021/jacs.5c01314
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide CO 2 electroreduction (CO 2 R) in acidic media offers a path to high carbon utilization via local carbonate regeneration. However, this proton-rich environment challenges achieving a combined selectivity and rate toward multicarbon (C 2+ ) products due to proton and intermediate competition. Here, we demonstrate a strategy to modulate local protons and intermediates, at these settings, using a polyionomer coating over benchmark copper gas diffusion electrodes. The polyionomer integrates amine (−NH x ) function from branched polyethylenimine (PEI) with sulfonate (−SO 3 – ) and amphiphilic functions from PFSA. We show that their chemical structure enables H-bonding interaction, leading to a stereochemical assembly that retains a structure–property relationship through a wide pH range (2–14). PFSA domains modulate *CO intermediates and local [CO 2 ]/[H 2 O] and K + environment, while partially protonated amines provide further control over proton availability and intermediate stabilization, which in combination enhance C–C coupling. When implemented in a flow cell (0.5 M K 2 /H 2 SO 4, pH = 2), the optimized polyionomer coating enables a C 2+ Faradaic efficiency of 61% at a single-pass CO 2 utilization of 84%, including a conversion efficiency of 64% toward C 2+, at a current density of at 0.3 A cm –2 ─an improvement of almost 30% in C 2+ selectivity and 35% in carbon utilization compared to monofunctional coatings. These findings expand the toolbox of strategies to modulate CO 2 R microenvironments toward improved performance.
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