Engineering the catalyst interface enables high carbon efficiency in both cation-exchange and bipolar membrane electrolyzers

接口(物质) 催化作用 碳纤维 材料科学 化学工程 纳米技术 化学 工程类 复合材料 有机化学 润湿 生物化学 坐滴法 复合数
作者
H.-J. Wu,Bonito Aristide Karamoko,Wensen Wang,Jiefeng Liu,Eddy Petit,Suming Li,Chrystelle Salameh,Damien Voiry
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:361: 124691-124691 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2024.124691
摘要

The formation of (bi)carbonate in alkaline and neutral membrane-electrode assembly (MEA) electrolyzers poses an unsatisfactorily low upper-bound of carbon efficiency. Electrolyzing CO 2 in acidic MEA has been regarded as an effective strategy to prevent carbonate formation and CO 2 loss but poses challenges due to the competitive hydrogen evolution reaction. Here we report the preparation of a hydrogel buffering layer on an Ag-coated gas diffusion electrode to prevent the (bi)carbonate formation and break the theoretical limitation of 50 % SPU in neutral-media electrolyzers. Through precise control of the porosity within the buffering layer, while maintaining superaerophobicity, we found that the hydrogel enhances the mass transfer of regenerated CO 2 at the interface between the buffering layer and the cation-exchange layer. The high energy efficiency of 37 % and carbon utilization of 77 % ±2.4 at a total current density of 375 mA cm −2 were achieved using an optimal Ag/buffer electrode when performing acidic MEA electrolysis. Effectively regulating the cathode surface in an acidic membrane-electrode assembly (MEA) electrolyzer by fabricating a polymer hydrogel buffering layer shows impressive carbon efficiency, meeting the industrial electro-conversion of CO 2 requirements. • A series of hydrogel layers with tunable porosity and aerophobicity were fabricated. • The hydrogel buffering layer keeps a favorable alkaline environment at the catalyst surface. • The hydrogel buffering layer effectively manages the dynamic behavior of the regenerated CO 2 . • The optimization of the PEI hydrogel achieves an industrial carbon utilization of 80 %.
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