物理化学学报 >> 2021, Vol. 37 >> Issue (5): 2009021.doi: 10.3866/PKU.WHXB202009021
所属专题: CO2还原
高敦峰1,*(), 魏鹏飞1, 李合肥1,2, 林龙1,2, 汪国雄1,2,*(), 包信和1
收稿日期:
2020-09-04
录用日期:
2020-09-24
发布日期:
2020-10-09
通讯作者:
高敦峰,汪国雄
E-mail:dfgao@dicp.ac.cn;wanggx@dicp.ac.cn
作者简介:
Dunfeng Gao is currently an associate professor at the Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences (DICP, CAS). He obtained B.Sc. degree from China University of Petroleum in 2009 and Ph.D. degree from the DICP in 2015. Then he worked as a postdoctoral researcher at the Ruhr University Bochum and the Fritz Haber Institute of the Max Planck Society in Germany (2015-2019). In 2019, he moved back to the DICP as an associate professor. His research focuses on electrocatalysis including CO2 electroreduction, CH4 electrooxidation and water electrolysis基金资助:
Dunfeng Gao1,*(), Pengfei Wei1, Hefei Li1,2, Long Lin1,2, Guoxiong Wang1,2,*(), Xinhe Bao1
Received:
2020-09-04
Accepted:
2020-09-24
Published:
2020-10-09
Contact:
Dunfeng Gao,Guoxiong Wang
E-mail:dfgao@dicp.ac.cn;wanggx@dicp.ac.cn
About author:
Email: wanggx@dicp.ac.cn (G.W.); Tel.: +86-411-84379976 (G.W.)Supported by:
摘要:
可再生能源驱动的二氧化碳电催化还原反应(CO2RR)是实现CO2高效转化和利用的有效途径。电解器的理性设计对于提高CO2RR性能及其工业放大应用具有重要意义。电解器构型及其操作条件在很大程度上决定了电极附近的局部反应环境,从而调变催化性能。本文深度剖析了三种CO2电解器(H型电解池、流动电解池和膜电极电解池)的研究进展和现状,结合文献报道,在电流密度、法拉第效率、能量效率和稳定性等四个关键性能参数上比较和讨论了不同电解器构型的优缺点及其对CO2RR性能的影响。面向实际应用的CO2RR研究应该把工业级电流密度作为提高其它三个指标的前提。尽管目前还存在一些问题和挑战,膜电极电解器被认为是最具工业应用前景的技术方案。本文最后提出了一些可能的研究策略和机遇,展望了该领域的未来发展趋势。
高敦峰, 魏鹏飞, 李合肥, 林龙, 汪国雄, 包信和. 用于二氧化碳电催化还原的电解器研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(5), 2009021. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009021
Dunfeng Gao, Pengfei Wei, Hefei Li, Long Lin, Guoxiong Wang, Xinhe Bao. Designing Electrolyzers for Electrocatalytic CO2 Reduction[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37(5), 2009021. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009021
Table 1
Main features of three CO2 electrolyzers."
Electrolyzers | CO2 mass transfer limitation | Current density (mA∙cm−2) | Electrolyte | Reference electrode | Cell stack | Energy efficiency | Stability |
H-cell | Yes | < 100 | Neutral, KHCO3 | yes | no | very low | very low |
flow-cell | No | > 200 | Alkaline, KOH | yes | yes | low | low |
MEA-cell | No | > 200 | AEM+H2O | no | yes | high | high |
Fig 3
(a) Faradaic efficiencies of formate, CO and H2 as a function of applied potential over Pd/C catalyst. Reproduced with the permission 55. Copyright 2017, Springer Nature. (b) Partial current density at −1.0 V vs RHE and maximum Faradaic efficiency of C2+ products over halide- and carbonate-modified Cu catalysts. Reproduced with the permission 67. Copyright 2019, Wiley. (c) Faradaic efficiencies of C2H4 and H2 as a function of applied potentials over nanoporous Cu nanosheets. Reproduced with the permission 68. Copyright 2020, American Chemical Society. All the performances (a–c) were measured in H-cell electrolyzers."
Fig 4
(a) Calculated concentrations of active carbon species and bulk pH in 0.5 mmol∙L−1 KHCO3 as a function of CO2 partial pressure at 25 ℃. (b) Formate and hydrogen FEs as a function of CO2 partial pressure at −0.64 V vs RHE over Cu2O/Cu cathode. Reproduced with the permission 32. Copyright 2020, American Chemical Society."
Fig 5
(a) Ethylene faradaic efficiency as a function of current density in 10 mmol∙L−1 KOH. (b) Stability test of the graphite/carbon/Cu/PTFE electrode in 7 mmol∙L−1 KOH at −0.55 V vs RHE. (c) Faradaic efficiency and (d) formation rate of C2+ products over halide-modified Cu catalysts as a function of applied potentials in 1 mmol∙L−1 KOH. Panels a, b reproduced with the permission 35. Copyright 2018, Science. Panels c, d reproduced with the permission 49. Copyright 2020, Springer Nature."
Fig 6
(a) Stability test of Sn2.7Cu at −0.55 V vs RHE, with current density stable at around 240 mA∙cm–2. Reproduced with the permission 86. Copyright 2020, Wiley. (b) Long-term stability of commercial Ag GDE at 300 mA∙cm–2. The cell voltage stayed constant within 7.0–7.5 V during the test. Reproduced with the permission 87. Copyright 2018, Springer Nature."
Fig 7
(a) Schematic of AEM-based CO2 electrolyzer and cross-sectional SEM images of Pd/C cathode, QAPPT anion exchange membrane and IrO2-coated Ni foam anode; Faradaic efficiencies (b), cell voltage (c, left) and energy efficiency of total CO2RR products (c, right) of Cu cathode. Reproduced with the permission 39. Copyright 2020, Springer Nature."
Fig 10
A three-layer CO2 electrolyzer stack in the (a) parallel and (b) serial connection configurations. CO2RR performances in a single electrolyzer as well as a three-layer electrolyzer stack in the (c) parallel and (d) serial connection configurations. Reproduced with the permission 107. Copyright 2020, American Chemical Society."
Fig 12
(a) Schematic illustration of the CO2 electrolyzer with solid electrolyte. (b) HCOOH Faradaic efficiency and concentration as a function of applied current densities. (c) HCOOH concentration and Faradaic efficiency an overall current density of 200 mA∙cm−2 as a function of N2 flow rate. Reproduced with the permission 42. Copyright 2019, Springer Nature."
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