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Efficient Bicarbonate Electrolysis to Formate Enabled via Ionomer Surface Modification in Cation Exchange Membrane Electrolyzers

电解 阴极 法拉第效率 格式化 材料科学 阳极 无机化学 电化学 化学工程 离聚物 碳酸氢盐 烟气 化学 电解质 催化作用 电极 复合材料 有机化学 物理化学 聚合物 工程类 生物化学 共聚物
作者
Kewen Xing,Mengjing Wang,Binbin Pan,Chenglin Liang,Yanguang Li
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (31): e202504835-e202504835 被引量:15
标识
DOI:10.1002/anie.202504835
摘要

Electrochemical CO2 reduction (CO2RR) is a promising method for converting CO2 into valuable chemicals, with formate being a particularly viable product. However, current gas-fed CO2RR systems rely on highly pure CO2 feed gases and are incompatible with point-source CO2 emissions without prior capture and concentration. Bicarbonate electrolysis offers a potential solution by bridging the gap between CO2 emissions and utilization. However, existing electrolyzer configurations, especially those using bipolar membranes (BPM), require high working voltages and suffer from poor energy efficiency. Here, we present a cation exchange membrane (CEM)-based membrane electrode assembly (MEA) incorporating a surface-modified bismuth cathode catalyst. The success of this approach is attributed to two key factors: the use of the positively charged ionomer PiperION for surface modification, which creates a favorable cathode microenvironment; the single CEM that enhances proton flux from the anode to the cathode while reducing ionic impedance. The CEM-based MEA demonstrates a formate faradaic efficiency of up to 80%, with a significant 1.5 V reduction in operating voltage compared to BPM-based MEAs at 300 mA cm-2. Additionally, the CEM-based MEA exhibits excellent tolerance to O2 impurities and maintains high performance even with simulated flue gas, making it suitable for direct CO2 utilization from point sources.
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