A scalable, biopolymer-based microenvironment for electrochemical CO2 conversion to multicarbon products with current densities over 2 A cm−2

法拉第效率 电化学 材料科学 化学工程 生物高聚物 纳米技术 纤维素 电流(流体) 联轴节(管道) 电极 电导率 电流密度 化学 细菌纤维素 氧化还原 反应速率 反应条件
作者
Chaolong Wei,Suhwan Yoo,Yan Li,Haibin Ma,Yaqi Cheng,Yao Wu,Guangxin Sun,Caiwei Zhang,Qian He,Tiras Y. Lin,Boon Siang Yeo,Joel B. Varley,Yun Jeong Hwang,Chunnian He,Andrew Barnabas Wong
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41560-026-02040-7
摘要

Abstract The electrochemical CO 2 reduction reaction (CO 2 RR) relies heavily on the surrounding microenvironment to promote formation of desirable multicarbon (C 2+ ) products. However, microenvironment control to achieve high C 2+ yields at industrially relevant current densities remains a crucial challenge. We report that chitosan, cellulose and chitin biopolymer coatings on CO 2 RR electrocatalysts enhance the microenvironment by increasing local CO 2 /CO concentration, reducing local water activity and providing suitable ion conductivity and local pH. This facile approach achieves C 2+ Faradaic efficiencies of 90 ± 1.7% at 1.6 A cm −2 and C 2+ Faradaic efficiency = 83 ± 3.2% at 2.2 A cm −2 with a formation rate of 5,926 μmol h −1 cm −2 . Importantly, within the cathode, these ion-conductive hydrophilic biopolymers can fully substitute traditional hydrophobic ionomers/binders, such as Nafion, challenging previous assumptions about the non-viability of hydrophilic materials for selective CO 2 RR due to excess interfacial H 2 O. These findings unveil key insights into microenvironment design to enhance C–C coupling through a simple method.
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