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Energy- and carbon-efficient CO2/CO electrolysis to multicarbon products via asymmetric ion migration–adsorption

催化作用 电解 吸附 化学工程 碳纤维 无机化学 化学 材料科学 电极 有机化学 物理化学 电解质 复合数 工程类 复合材料
作者
Adnan Ozden,Jun Li,Sharath Kandambeth,Xiaoyan Li,Shijie Liu,Osama Shekhah,Pengfei Ou,Y. Zou Finfrock,Ya‐Kun Wang,Tartela Alkayyali,F. Pelayo Garcı́a de Arquer,Vinayak S. Kale,Prashant M. Bhatt,Alexander H. Ip,Mohamed Eddaoudi,Edward H. Sargent,David Sinton
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:8 (2): 179-190 被引量:172
标识
DOI:10.1038/s41560-022-01188-2
摘要

Carbon dioxide/monoxide (CO2/CO) electrolysis provides a means to convert emissions into multicarbon products. However, impractical energy and carbon efficiencies limit current systems. Here we show that these inefficiencies originate from uncontrolled gas/ion distributions in the local reaction environment. Understanding of the flows of cations and anions motivated us to seek a route to block cation migration to the catalyst surface—a strategy we instantiate using a covalent organic framework (COF) in bulk heterojunction with a catalyst. The π-conjugated hydrophobic COFs constrain cation (potassium) diffusion via cation–π interactions, while promoting anion (hydroxide) and gaseous feedstock adsorption on the catalyst surface. As a result, a COF-mediated catalyst enables electrosynthesis of multicarbon products from CO for 200 h at a single-pass carbon efficiency of 95%, an energy efficiency of 40% and a current density of 240 mA cm−2. The carbon and energy efficiencies of current CO2/CO electrolysis systems are limited. Here the authors show that these metrics can be improved by controlling ion flows in the vicinity of a copper catalyst by the application of a covalent organic framework.
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