A CO2 electrolyzer tandem cell system for CO2-CO co-feed valorization in a Ni-N-C/Cu-catalyzed reaction cascade

电解 串联 催化作用 阴极 化学工程 化学 级联反应 法拉第效率 气体扩散电极 材料科学 电化学 电极 有机化学 物理化学 复合材料 工程类 电解质
作者
Tim Möller,Michael Filippi,Sven Brückner,Wen Ju,Peter Strasser
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:45
标识
DOI:10.1038/s41467-023-41278-7
摘要

Coupled tandem electrolyzer concepts have been predicted to offer kinetic benefits to sluggish catalytic reactions thanks to their flexibility of reaction environments in each cell. Here we design, assemble, test, and analyze the first complete low-temperature, neutral-pH, cathode precious metal-free tandem CO2 electrolyzer cell chain. The tandem system couples an Ag-free CO2-to-CO2/CO electrolyzer (cell-1) to a CO2/CO-to-C2+ product electrolyzer (cell-2). Cell-1 and cell-2 incorporate selective Ni-N-C-based and Cu-based Gas Diffusion Cathodes, respectively, and operate at sustainable neutral pH conditions. Using our tandem cell system, we report strongly enhanced rates for the production of ethylene (by 50%) and alcohols (by 100%) and a sharply increased C2+ energy efficiency (by 100%) at current densities of up to 700 mA cm-2 compared to the single CO2-to-C2+ electrolyzer cell system approach. This study demonstrates that coupled tandem electrolyzer cell systems can offer kinetic and practical energetic benefits over single-cell designs for the production of value-added C2+ chemicals and fuels directly from CO2 feeds without intermediate separation or purification.
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