Anionic Ionomer: Released Surface-Immobilized Cations and an Established Hydrophobic Microenvironment for Efficient and Durable CO 2 -to-Ethylene Electrosynthesis at High Current over One Month

化学 电合成 乙烯 离聚物 化学工程 高分子化学 有机化学 催化作用 聚合物 电化学 共聚物 电极 物理化学 工程类
作者
Mingwei Fang,Xiang Miao,Zihao Huang,Meiling Wang,Xiao-Chen Feng,Zewen Wang,Ying Zhu,Liming Dai,Lei Jiang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (39): 27060-27069 被引量:95
标识
DOI:10.1021/jacs.4c09168
摘要

Electrosynthesis of multicarbon products, such as C 2 H 4, from CO 2 reduction on copper (Cu) catalysts holds promise for achieving carbon neutrality. However, maintaining a steady high current-level C 2 H 4 electrosynthesis still encounters challenges, arising from unstable alkalinity and carbonate precipitation caused by undesired ion migration at the cathode under a repulsive electric field. To address these issues, we propose a universal “charge release” concept by incorporating tiny amounts of an oppositely charged anionic ionomer (e.g., perfluorinated sulfonic acid, PFSA) into a cationic covalent organic framework on the Cu surface (cCOF/PFSA). This strategy effectively releases the hidden positive charge within the cCOF, enhancing surface immobilization of cations to impede both outward migration of generated OH – and inward migration of cations, inhibiting carbonate precipitation and creating a strong alkaline microenvironment. Meanwhile, the ionomer’s hydrophobic chains create a hydrophobic environment within the cCOF, facilitating efficient gas transport. In situ characterizations and theoretical calculations demonstrate that the cCOF/PFSA catalyst establishes a hydrophobic strong alkaline microenvironment, optimizing the adsorption strength and configuration of *CO intermediates to promote the C 2 H 4 formation. The optimized catalyst achieves a 70.5% Faradaic efficiency for C 2 H 4 with a partial current density over 470 mA cm –2 . Notably, it delivers a high single-pass carbon efficiency of 96.5% for CO 2 RR and sustains an exceptional stability over 760 h. When implemented in a large-area MEA electrolyzer and a 5-cell MEA stack, the system achieves an industrial current of 15 A and continuous C 2 H 4 production exceeding 19 mL min –1, marking a significant step toward industrial feasibility in CO 2 RR-to-C 2 H 4 conversion.
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