How alkali cations affect salt precipitation and CO2electrolysis performance in membrane electrode assembly electrolyzers

电解 碱金属 电极 降水 盐(化学) 无机化学 化学 化学工程 膜电极组件 碱性水电解 材料科学 电解质 工程类 有机化学 气象学 物理化学 物理 生物化学
作者
Sahil Garg,Qiucheng Xu,Asger Barkholt Moss,Marta Mirolo,Wanyu Deng,Ib Chorkendorff,Jakub Drnec,Brian Seger
出处
期刊:Energy and Environmental Science [Royal Society of Chemistry]
卷期号:16 (4): 1631-1643 被引量:120
标识
DOI:10.1039/d2ee03725d
摘要

Electrocatalytic CO2 reduction in membrane electrode assembly (MEA) electrolyzers is a promising approach to producing carbon-neutral chemicals and fuels at commercially relevant rates. However, short-duration stability owing to cathode flooding and salt precipitation in MEAs is a significant challenge for commercializing this technology. Using operando wide-angle X-ray scattering (WAXS), we demonstrate how the formation of salt precipitates occurs and varies with alkali cations. We also correlate this formation of precipitates with CO2 reduction reaction (CO2RR) and hydrogen evolution reaction (HER) selectivity by measuring the anode and cathode products using an in-line gas chromatograph. We found that low-solubility salts can quickly precipitate over the catalyst layer and limit the CO2 from accessing the catalyst thereby enhancing the HER. Although salts with marginal solubility demonstrate an oscillatory trend between salt precipitation and dissolution, the use of highly soluble Cs salts prevents salt precipitation and mitigates flooding of the gas diffusion layer. In addition, diluting cation concentration in the anolyte significantly decreases salt precipitation as well as improves the CO2RR product selectivity. This work suggests that the key to circumventing salt precipitation is to use highly soluble alkali cation salts as the anolyte (e.g. CsHCO3) along with an optimal salt concentration between 0.01 and 0.1 M.
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