Continuously Producing Highly Concentrated and Pure Acetic Acid Aqueous Solution via Direct Electroreduction of CO2

化学 催化作用 醋酸 水溶液 电解 法拉第效率 电化学 串联 无机化学 产量(工程) 有机化学 电极 电解质 物理化学 复合材料 冶金 材料科学
作者
Haolin Zhu,Jia‐Run Huang,Mengdi Zhang,Can Yu,Pei‐Qin Liao,Xiao‐Ming Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (1): 1144-1152 被引量:88
标识
DOI:10.1021/jacs.3c12423
摘要

It is crucial to achieve continuous production of highly concentrated and pure C2 chemicals through the electrochemical CO2 reduction reaction (eCO2RR) for artificial carbon cycling, yet it has remained unattainable until now. Despite one-pot tandem catalysis (dividing the eCO2RR to C2 into two catalytical reactions of CO2 to CO and CO to C2) offering the potential for significantly enhancing reaction efficiency, its mechanism remains unclear and its performance is unsatisfactory. Herein, we selected different CO2-to-CO catalysts and CO-to-acetate catalysts to construct several tandem catalytic systems for the eCO2RR to acetic acid. Among them, a tandem catalytic system comprising a covalent organic framework (PcNi-DMTP) and a metal-organic framework (MAF-2) as CO2-to-CO and CO-to-acetate catalysts, respectively, exhibited a faradaic efficiency of 51.2% with a current density of 410 mA cm-2 and an ultrahigh acetate yield rate of 2.72 mmol m-2 s-1 under neutral conditions. After electrolysis for 200 h, 1 cm-2 working electrode can continuously produce 20 mM acetic acid aqueous solution with a relative purity of 95+%. Comprehensive studies revealed that the performance of tandem catalysts is influenced not only by the CO supply-demand relationship and electron competition between the two catalytic processes in the one-pot tandem system but also by the performance of the CO-to-C2 catalyst under diluted CO conditions.
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