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Selective high-temperature CO2 electrolysis enabled by oxidized carbon intermediates

碳纤维 电解 材料科学 化学工程 催化作用 电化学 氧化物 无机化学 电极 化学 有机化学 冶金 复合数 物理化学 复合材料 工程类 电解质
作者
Theis Løye Skafte,Zixuan Guan,Michael L. Machala,Chirranjeevi Balaji Gopal,Matteo Monti,Lev Martinez,Eugen Stamate,Simone Sanna,José Antonio Garrido Torres,Ethan J. Crumlin,Max Garcı́a-Melchor,Michal Bajdich,William C. Chueh,Christopher Graves
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:4 (10): 846-855 被引量:94
标识
DOI:10.1038/s41560-019-0457-4
摘要

High-temperature CO2 electrolysers offer exceptionally efficient storage of renewable electricity in the form of CO and other chemical fuels, but conventional electrodes catalyse destructive carbon deposition. Ceria catalysts are known carbon inhibitors for fuel cell (oxidation) reactions; however, for more severe electrolysis (reduction) conditions, catalyst design strategies remain unclear. Here we establish the inhibition mechanism on ceria and show selective CO2 to CO conversion well beyond the thermodynamic carbon deposition threshold. Operando X-ray photoelectron spectroscopy during CO2 electrolysis—using thin-film model electrodes consisting of samarium-doped ceria, nickel and/or yttria-stabilized zirconia—together with density functional theory modelling, reveal the crucial role of oxidized carbon intermediates in preventing carbon build-up. Using these insights, we demonstrate stable electrochemical CO2 reduction with a scaled-up 16 cm2 ceria-based solid-oxide cell under conditions that rapidly destroy a nickel-based cell, leading to substantially improved device lifetime. CO2 electrolysers store electricity as CO or other chemical fuels, but can suffer from carbon deposition at the electrodes. Skafte et al. identify a mechanistic route to inhibiting carbon build-up in ceria-based electrolysers and build a cell that operates beyond the thermodynamic carbon deposition threshold.
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