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CO electrolysis to multicarbon products over grain boundary-rich Cu nanoparticles in membrane electrode assembly electrolyzers

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作者
Hefei Li,Pengfei Wei,Tianfu Liu,Mingrun Li,Chao Wang,Rongtan Li,Jinyu Ye,Zhi‐You Zhou,Shi‐Gang Sun,Qiang Fu,Dunfeng Gao,Guoxiong Wang,Xinhe Bao
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 4603-4603 被引量:55
标识
DOI:10.1038/s41467-024-49095-2
摘要

Abstract Producing valuable chemicals like ethylene via catalytic carbon monoxide conversion is an important nonpetroleum route. Here we demonstrate an electrochemical route for highly efficient synthesis of multicarbon (C 2+ ) chemicals from CO. We achieve a C 2+ partial current density as high as 4.35 ± 0.07 A cm −2 at a low cell voltage of 2.78 ± 0.01 V over a grain boundary-rich Cu nanoparticle catalyst in an alkaline membrane electrode assembly (MEA) electrolyzer, with a C 2+ Faradaic efficiency of 87 ± 1% and a CO conversion of 85 ± 3%. Operando Raman spectroscopy and density functional theory calculations reveal that the grain boundaries of Cu nanoparticles facilitate CO adsorption and C − C coupling, thus rationalizing a qualitative trend between C 2+ production and grain boundary density. A scale-up demonstration using an electrolyzer stack with five 100 cm 2 MEAs achieves high C 2+ and ethylene formation rates of 118.9 mmol min −1 and 1.2 L min −1 , respectively, at a total current of 400 A (4 A cm −2 ) with a C 2+ Faradaic efficiency of 64%.
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