第一作者：Eric W. Lees

通訊作者：Adam Z. Weber

通訊郵箱：美國勞倫斯伯克利國家實驗室

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利用可再生電力進行電化學二氧化碳還原（CO₂R）是合成燃料和化學品的重要途徑。

本研究中，作者利用多物理建模來解釋使用Ag催化劑在膜電極組件（MEAs）中進行電化學CO₂R轉化為一氧化碳（CO）的實驗數據。通過測量CO₂滲透和產物生成速率，驗證了一維（1D）模型。

通過Marcus-Hush-Chidsey（MHC）動力學描述了CO形成的動力學，該動力學考慮了在CO₂R過程中溶劑重組，能夠準確預測實驗數據。

結果表明，性能受到包括離子形成和傳輸、CO₂溶解度和水管理在內的競爭現象的支配。模型顯示，增加膜的離子交換容量和催化劑表面積使得CO生成速率超過100 mA cm^-2，而不會對CO₂利用率產生負面影響。本文提供了如何在CO₂電解器中管理生產力和CO₂利用率之間平衡的見解。

圖文導讀

圖1：CO₂電解器MEA的架構和模型域，包括陽極和陰極的進料，CO₂還原、（雙）碳酸鹽形成和滲透，以及陽極處CO₂損失的過程。

圖2：實驗和模型局部電流密度對于CO和H₂形成作為電池電壓的函數，以及實驗和模型CO₂滲透通量，以及使用MHC和Tafel模型的CO局部電流密度與實驗結果的比較。

圖3：在MEA中CO₂和離子物質傳輸的模型，包括不同電流密度下MEA內的CO₂濃度、pH、HCO₃^–濃度和CO₃^2-濃度。

圖4：MEA中HCO₃^?、CO₃^2?和OH^?的模型傳輸數作為電流密度的函數，由于擴散和電滲引起的水通量以及電流密度的凈水通量。

圖5：催化劑層的比表面積（SSA）和厚度對CO₂R的影響，包括CO形成局部電流密度與電池電壓、CO₂利用率與總電流密度的關系。

圖6：膜IEC對CO₂R的影響，包括不同IEC膜的CO局部電流密度、離子電導率、陰極催化劑層的pH和CO₂利用效率。

總結展望

本研究通過1D連續模型的實驗數據驗證，探討了MEAs在CO₂還原過程中發生的多種耦合現象。模型揭示了質量和電子傳輸限制決定了CO₂R的極限電流密度，后者需要使用MHC理論來再現實驗行為，并強調了進一步研究CO₂R中電子轉移和溶劑重組性質的必要性。

模擬表明，CO₂和水在MEA中的傳輸由膜中的主要電荷載體定義，取決于電流密度范圍。優化策略包括使用具有更強堿性固定電荷基團的陰離子交換膜，以有效傳輸OH^–并減輕電流誘導的膜放電。

本研究提供了對CO₂電解槽中水和離子傳輸動態的見解，并提出了不同的材料優化策略，為未來的實驗提供了信息。

文獻信息

標題：Exploring CO₂ reduction and crossover in membrane electrode assemblies

期刊：Nature Chemical Engineering

DOI：10.1038/s44286-024-00062-0