Close to 90% Single-Pass Conversion Efficiency for CO2 Electroreduction in an Acid-Fed Membrane Electrode Assembly

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作者
Binbin Pan,Fan Jia,Jie Zhang,Yuqing Luo,Cong Shen,Chaoqiang Wang,Yuhang Wang,Yanguang Li
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:7 (12): 4224-4231 被引量:64
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.2c02292
摘要

The formation of (bi)carbonates is a pressing issue for CO2 electroreduction in neutral or alkaline solutions. It adversely causes low single-pass conversion efficiency as a result of (bi)carbonate crossover, as well as limited device lifetimes as a result of (bi)carbonate precipitation at the cathode. One emerging solution to circumvent this challenge is conducting the reaction in acids. To this end, we here demonstrate an acid-fed membrane electrode assembly (MEA) for CO2 electroreduction to CO. A diluted electrolyte with an H+ to Cs+ ratio of 1:1 and a relatively low current density are optimal conditions to achieve high CO Faradaic efficiencies. A relatively high H+ versus Cs+ ratio offers high electrocatalytic activities. By systematically evaluating the impact of H+ and Cs+ concentration on the electrochemical performance, we uncover the essential role of the balance between the rates of (bi)carbonate formation and H+ diffusion in determining the selectivity and activity. As a result, we report a CO partial current density of ∼105 mA cm–2 at an ∼4 V cell voltage, a near-doubled activity toward CO compared to a neutral MEA at a similar voltage. Under the optimal conditions for long-term operation, our acid-fed membrane electrode assembly is capable of delivering a CO Faradaic efficiency of ∼80%, an extraordinary single-pass conversion efficiency of ∼90% (about twice that of neutral MEA), and a 50 h long-term stability notably superior to those in previous reports.
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