在稀薄条件下，镍单原子催化剂上的吸附限制型二氧化碳电还原：将电化学机理与膜电极组装电池性能联系起来

《Journal of Energy Chemistry》：Adsorption-limited CO2 electroreduction under dilute conditions over nickel single atom catalysts: Linking electrokinetic insights to membrane electrode assembly cell performance

　　

Yunsu Choi | Jin-Gyu Bae | Taemin Kim | Sunhyeong Kwon | Jeong Yeon Heo | Ju-Hyeon Lee | Hyung Mo Jeong | Hyeon Jeong Lee | Ji Hoon Lee

摘要

电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）为减少二氧化碳排放同时生产高附加值化学品提供了一条有前景的途径。一氧化碳（CO）因其在本行业中的核心作用以及其具有动力学优势的两电子转移路径而特别具有吸引力。然而，大多数研究都是在理想化的纯二氧化碳（CO₂）条件下进行的，而工业相关的烟气中通常只含有10%–20%的二氧化碳。因此，与二氧化碳捕获和加压相关的高能耗对实际应用构成了重大挑战，这凸显了需要能够在烟气条件下直接运行的催化剂。在这项工作中，使用了镍单原子催化剂（Ni-SACs）作为模型电催化剂平台，以阐明在类似烟气条件的稀释二氧化碳（CO₂）下的二氧化碳还原反应（CO₂RR）电化学过程。在H型电池中的电化学研究表明，Ni-SACs在广泛的二氧化碳分压范围内保持了相同的二氧化碳还原反应路径。然而，其活性随着二氧化碳分压的降低而呈非线性下降，这归因于吸附限制的表面可及性，这一现象通过改进的Butler-Volmer模型得到了解释。基于这些机制洞察，我们将评估扩展到了基于气体扩散电极的阴离子交换膜电极组件（AEMEA）。H型电池的研究结果在MEA中得到了直接体现：即使在模拟的烟气条件下，Ni-SACs也能在80 mA cm^?2的电流密度下实现稳定的二氧化碳到一氧化碳的转化。值得注意的是，在稀释二氧化碳条件下，出口流中的二氧化碳残留量几乎为零，这表明直接电解低浓度二氧化碳原料可能是一种具有战略优势的方法，因为它减少了上游二氧化碳分离和下游二氧化碳处理的负担。