物理化学学报 >> 2024, Vol. 40 >> Issue (5): 2305028.doi: 10.3866/PKU.WHXB202305028
收稿日期:2023-05-15
修回日期:2023-05-27
录用日期:2023-05-27
发布日期:2023-06-25
通讯作者:
Email: liushw6@mail.sysu.edu.cn; Tel.: +86-15622151604 (刘升卫)
基金资助:
Xudong Lv, Tao Shao, Junyan Liu, Meng Ye, Shengwei Liu*(
)
Received:2023-05-15
Revised:2023-05-27
Accepted:2023-05-27
Published:2023-06-25
Contact:
Email: liushw6@mail.sysu.edu.cn; Tel.: +86-15622151604 (Shengwei Liu)
Supported by:摘要:
传统电化学CO2还原(CO2RR)系统中阳极发生的水氧化半反应(WOR)具有动力学缓慢、过电位大、能耗高等缺点,限制了CO2RR系统的经济效益和应用。因此,本研究引入MnO2阳极进行甲醛氧化半反应(FOR)以代替WOR,构建了一种新型CO2RR/FOR耦合系统。与传统的CO2RR/WOR系统相比,在相同的电压下,CO2RR/FOR耦合系统的CO2RR电流密度和产物的生成速率具有更大的优势。此外,在合适的电压下,CO2RR/FOR耦合系统可以将HCHO选择性地转化为HCOOH。具体来说,两电极CO2RR/FOR耦合系统中,在3.5 V的槽电压下,近90%的HCHO可以被去除,且HCHO转化为HCOOH的转化率约为48%。更重要的是,在不同的工作电流下,FOR相比于WOR所需电压更小。在−10 mA∙cm−2电流密度下,CO2RR/FOR耦合系统能降低约210 mV的槽电压,并且其能耗比单独的CO2RR系统和FOR系统的能耗之和降低45.13%。此外,当使用商业多晶硅太阳能电池作为电源时,在CO2RR/FOR耦合系统中的阴极CO2RR电流密度、产物的生成速率和阳极HCHO转化为HCOOH的选择性都可以实现较大的提升。目前的工作将进一步研究新型的CO2RR耦合系统,以经济有效地将CO2和有机污染物同时转化为有价值的化学品。
吕旭东, 邵涛, 刘均炎, 叶萌, 刘升卫. CO2还原和HCHO氧化耦合电催化反应系统高效益生产高附加值产物[J]. 物理化学学报, 2024, 40(5), 2305028. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305028
Xudong Lv, Tao Shao, Junyan Liu, Meng Ye, Shengwei Liu. Paired Electrochemical CO2 Reduction and HCHO Oxidation for the Cost-Effective Production of Value-Added Chemicals[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40(5), 2305028. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305028
表2
"
| J/(mA∙cm−2) | Ecathode/V | CO2RR/WOR | Paired CO2RR/FOR | EIR/V | ΔEcell/V | ΔQ/Q1 (%) | |||||
| Ecell/V | Eanode/V | Q1/J | Ecell/V | Eanode/V | Q2/J | ||||||
| −1.00 | −1.09 | 2.28 | 1.12 | 12.32 | 1.99 | 0.81 | 10.75 | 0.08 | 0.29 | 12.74 | |
| −2.00 | −1.16 | 2.52 | 1.15 | 27.22 | 2.25 | 0.88 | 24.30 | 0.21 | 0.27 | 10.71 | |
| −3.00 | −1.23 | 2.75 | 1.18 | 44.55 | 2.48 | 0.91 | 40.18 | 0.34 | 0.27 | 9.82 | |
| −4.00 | −1.30 | 2.94 | 1.19 | 63.51 | 2.67 | 0.92 | 57.67 | 0.45 | 0.27 | 9.18 | |
| −5.00 | −1.36 | 3.11 | 1.21 | 83.97 | 2.86 | 0.96 | 77.22 | 0.54 | 0.25 | 8.04 | |
| −6.00 | −1.42 | 3.28 | 1.23 | 106.27 | 3.03 | 0.98 | 98.17 | 0.63 | 0.25 | 7.62 | |
| −7.00 | −1.46 | 3.44 | 1.25 | 130.03 | 3.21 | 1.02 | 121.34 | 0.73 | 0.23 | 6.69 | |
| −8.00 | −1.49 | 3.61 | 1.27 | 155.95 | 3.38 | 1.04 | 146.02 | 0.85 | 0.23 | 6.37 | |
| −9.00 | −1.56 | 3.77 | 1.28 | 183.22 | 3.54 | 1.05 | 172.04 | 0.93 | 0.23 | 6.10 | |
| −10.00 | −1.61 | 3.93 | 1.30 | 212.22 | 3.72 | 1.09 | 200.88 | 1.02 | 0.21 | 5.34 | |
| −11.00 | −1.65 | 4.11 | 1.32 | 244.13 | 3.92 | 1.13 | 232.85 | 1.14 | 0.19 | 4.62 | |
| −12.00 | −1.69 | 4.27 | 1.34 | 276.70 | 4.12 | 1.19 | 266.98 | 1.24 | 0.15 | 3.51 | |
| −13.00 | −1.72 | 4.43 | 1.35 | 310.99 | 4.33 | 1.25 | 303.97 | 1.36 | 0.10 | 2.26 | |
| −14.00 | −1.76 | 4.59 | 1.37 | 347.00 | 4.50 | 1.28 | 340.2 | 1.46 | 0.09 | 1.96 | |
| −16.00 | −1.83 | 4.91 | 1.40 | 424.22 | 4.85 | 1.34 | 419.04 | 1.68 | 0.06 | 1.22 | |
| 1 |
doi: 10.3866/PKU.WHXB202212053 |
|
陈瑶; 陈存; 曹雪松; 王震宇; 张楠; 刘天西.. 物理化学学报, 2023, 39, 2212053.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202212053 |
|
| 2 |
doi: 10.3866/PKU.WHXB202012011 |
|
韩布兴.. 物理化学学报, 2022, 38, 2012011.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202012011 |
|
| 3 |
doi: 10.3866/PKU.WHXB202012024 |
|
刘志敏; 孙振宇.. 物理化学学报, 2021, 37, 2012024.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202012024 |
|
| 4 |
doi: 10.3866/PKU.WHXB202206020 |
|
石永霞; 侯曼; 李俊俊; 李丽; 张志成.. 物理化学学报, 2022, 38, 2206020.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202206020 |
|
| 5 |
doi: 10.3866/PKU.WHXB202010040 |
|
苑琦; 杨昊; 谢淼; 程涛.. 物理化学学报, 2021, 37, 2010040.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202010040 |
|
| 6 |
doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120978 |
| 7 |
doi: 10.1016/j.apsusc.2023.156981 |
| 8 |
doi: 10.1016/j.nantod.2018.05.001 |
| 9 |
doi: 10.1038/ncomms14503 |
| 10 |
doi: 10.1016/j.cej.2021.128825 |
| 11 |
doi: 10.1002/anie.201601282 |
| 12 |
doi: 10.1002/aenm.201803151 |
| 13 |
doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118193 |
| 14 |
doi: 10.1021/jacs.6b08667 |
| 15 |
doi: 10.1038/s41560-019-0374-6 |
| 16 |
doi: 10.1021/acs.est.1c01277 |
| 17 |
doi: 10.1016/j.apcatb.2023.122789 |
| 18 |
doi: 10.1016/j.apsusc.2019.05.083 |
| 19 |
doi: 10.1039/c9en00871c |
| 20 |
doi: 10.1016/s0009-2509(02)00636-x |
| 21 |
doi: 10.1016/j.cej.2019.04.184 |
| 22 |
doi: 10.1038/s41467-023-36142-7 |
| 23 |
doi: 10.1016/j.electacta.2019.135542 |
| 24 |
doi: 10.1039/c3ta13277c |
| 25 |
doi: 10.1016/j.cej.2007.04.006 |
| 26 |
doi: 10.1016/j.jallcom.2016.12.398 |
| 27 |
doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.08.102 |
| 28 |
doi: 10.1016/j.chemosphere.2019.06.083 |
| 29 |
doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.125285 |
| 30 |
doi: 10.1021/acs.iecr.9b05191 |
| 31 |
doi: 10.1021/acscatal.6b03147 |
| 32 |
doi: 10.1016/j.susc.2016.08.006 |
| 33 |
doi: 10.1038/s41467-018-03286-w |
| 34 |
doi: 10.1021/acscatal.8b01022 |
| 35 |
doi: 10.1021/ja309317u |
| 36 |
doi: 10.1038/nature19060 |
| 37 |
doi: 10.1016/j.apcatb.2016.11.036 |
| 38 |
doi: 10.1021/acs.jpclett.5b00722 |
| 39 |
doi: 10.3390/catal10050481 |
| 40 |
doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118375 |
| 41 |
doi: 10.1002/elan.200900294 |
| 42 |
doi: 10.1002/anie.202107510 |
| 43 |
doi: 10.1021/acscatal.6b00099 |
| 44 |
doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118210 |
| 45 |
doi: 10.1002/anie.202014551 |
| 46 |
doi: 10.1038/nmat3313 |
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