Da die Menge an Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre aufgrund menschlicher Aktivitäten zunimmt, sind der beschleunigte Treibhauseffekt und die globale Erwärmung zu allgemeinen Problemen geworden. Um solche Umweltprobleme zu mildern, wurden verschiedene Technologien zur Nutzung von CO2 entwickelt.
Die elektrokatalytische CO2-Reduktionsreaktion (CO2RR) ist eine äußerst attraktive Technologie zur Umwandlung von CO2 in Mehrwertprodukte mithilfe erneuerbarer Energien (z. B. Solar- und Windenergie). Um die Anforderungen für industrielle Anwendungen von CO2RR zu erfüllen, werden häufig Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) auf der Basis von Gasdiffusionselektroden (GDEs) eingesetzt.
In der GDE ist die Katalysatorschicht (CL) der Hauptort der katalytischen Reaktion, die normalerweise den Katalysator, den Katalysatorträger und das Ionomer enthält. Die Herstellung von CLs durch tintenbasierte Methoden leidet normalerweise unter einer inhomogenen Verteilung des Ionomers, die den Transport von Ionen und CO2 beeinträchtigt.
Daher ist eine rationale Optimierung der räumlichen Verteilung des Ionomers von Vorteil, um den Stofftransfer zu fördern und die katalytische Leistung zu verbessern. Neben Methoden wie der Anpassung der Lösungsmittelpolarität und der Verbesserung der Wechselwirkung zwischen Katalysator und Ionomer besteht weiterhin Bedarf an der Entwicklung eines proaktiveren und kontrollierbaren Ansatzes zur weiteren Optimierung der Ionomerverteilung, um eine gute Leistung für die praktische Anwendung von CO2RR-Systemen zu erreichen.
Als Reaktion auf diese Herausforderung hat das Energy and Catalysis Adventure Team unter der Leitung von Professor Jinlong Gong von der Tianjin-Universität eine Ionomer-Voreinschlussmethode entwickelt. Insbesondere wurde Ionomer während des Syntheseprozesses des Elektrokatalysators eingeführt, was zur Bildung des Ionomer-beschränkten Elektrokatalysators für den Aufbau von GDEs führte. Diese Methode begünstigt die Konstruktion von GDEs mit gleichmäßiger Verteilung des Ionomers und beseitigt dadurch die durch seine Anreicherung verursachten Massentransferprobleme.
Durch die Optimierung der Ionomerverteilung in den GDEs wird der Ionentransport innerhalb des CL gefördert. Die an den Reaktionsstellen erzeugten Ionen konnten schnell zur Anode übertragen werden. Darüber hinaus vermeidet das räumlich einheitliche Ionomer den hohen lokalen Stoffübergangswiderstand, der durch die Ansammlung von Ionomeren verursacht wird, was den CO2-Transport verbessert und die katalytische Leistung verbessert.
Daher besaßen die optimierten GDEs eine relativ niedrige Zellspannung (ca. 3,3 V bei 300 mA cm−2) und einen hohen CO-Faraday-Wirkungsgrad von über 90 %, selbst bei einer hohen Stromdichte von 600 mA cm−2. Diese Elektrode erreicht auch eine stabile Katalyse bei einer Stromdichte von 300 mA cm−2 für mehr als 220 Stunden. Es ist davon auszugehen, dass die in dieser Studie gesammelten Informationen als Inspiration für das optimale Design der GDEs dienen und somit eine Referenz für die Umsetzung der praktischen Anwendung von CO2RR liefern werden.
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Xiaowei Du et al., Einschluss von Ionomer für die elektrokatalytische CO2-Reduktionsreaktion über effiziente Stofftransferwege, National Science Review (2023). DOI: 10.1093/nsr/nwad149