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Unintended cation crossover influences CO2 reduction selectivity in Cu-based zero-gap electrolysers

电解 化学 催化作用 无机化学 选择性 离子交换 碱金属 离子键合 阴极 金属 碳酸氢盐 离子 电极 电解质 物理化学 有机化学 生物化学
作者
Gumaa A. El‐Nagar,Flora Haun,Siddharth Gupta,Sasho Stojkovikj,Matthew T. Mayer
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:116
标识
DOI:10.1038/s41467-023-37520-x
摘要

Abstract Membrane electrode assemblies enable CO 2 electrolysis at industrially relevant rates, yet their operational stability is often limited by formation of solid precipitates in the cathode pores, triggered by cation crossover from the anolyte due to imperfect ion exclusion by anion exchange membranes. Here we show that anolyte concentration affects the degree of cation movement through the membranes, and this substantially influences the behaviors of copper catalysts in catholyte-free CO 2 electrolysers. Systematic variation of the anolyte (KOH or KHCO 3 ) ionic strength produced a distinct switch in selectivity between either predominantly CO or C 2+ products (mainly C 2 H 4 ) which closely correlated with the quantity of alkali metal cation (K + ) crossover, suggesting cations play a key role in C-C coupling reaction pathways even in cells without discrete liquid catholytes. Operando X-ray absorption and quasi in situ X-ray photoelectron spectroscopy revealed that the Cu surface speciation showed a strong dependence on the anolyte concentration, wherein dilute anolytes resulted in a mixture of Cu + and Cu 0 surface species, while concentrated anolytes led to exclusively Cu 0 under similar testing conditions. These results show that even in catholyte-free cells, cation effects (including unintentional ones) significantly influence reaction pathways, important to consider in future development of catalysts and devices.
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