In einer Studie veröffentlicht In Angewandte Chemie Internationale AusgabeForscher entwickelten einen asymmetrischen Säure/Alkali-Elektrolyseur für die saure CO2-Reduktionsreaktion (CO2RR) in Verbindung mit der alkalischen Methanol-Elektrooxidation (MOR), um gleichzeitig wertvolle Ameisensäure mit hoher Effizienz und Stabilität herzustellen.
Die elektrochemische Reduzierung von CO2 mithilfe erneuerbarer Energien zur Herstellung hochwertiger Chemikalien ist vielversprechend.
Im herkömmlichen Kopplungssystem der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) kann die Anoden-OER allein etwa 90 % der Eingangsleistung für die CO2RR-OER-Kopplung verbrauchen. Andererseits können alkalische und neutrale Elektrolyte die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) hemmen und dadurch CO2RR fördern.
Aufgrund des lokal hohen pH-Wertes während der kathodischen Reaktion gehen jedoch mehr als 75 % des CO2 durch Reaktion mit Hydroxylionen (OH-) in der Lösung unter Bildung von Carbonaten verloren und auch die Lebensdauer des Katalysators verringert sich.
In dieser Studie entwickelten die Forscher ein effizientes gepaartes Elektrolysesystem, das das kathodische saure CO2RR mit dem anodischen alkalischen MOR koppelte. Die Kathodenlösung enthielt 3 M KCl + 0,1 M HCl und die Anodenlösung enthielt 1,0 M KOH + 2,0 M Methanol, die durch eine Kationenaustauschmembran getrennt wurden.
Die Katalysatoren aus Cu2Se@CuO-Nanoblumen und Bi/BiOx-Nanoblättern wurden jeweils für Kathode und Anode synthetisiert.
Der entwickelte Elektrolyseur zeigte einen stabilen Betrieb bei 1,9 V über mehr als 90 Stunden. Der Gesamt-Faraday-Wirkungsgrad von Ameisensäure übersteigt 190 % in einem weiten Spannungsbereich, und es sind nur 2,1 V erforderlich, um eine Ameisensäure-Teilstromdichte von ~130 mA cm-2 zu erreichen, während im Vergleich zum Säure/Laugen-gekoppelten CO2RR dreimal weniger Strom verbraucht wird -OER-System.
Die überlegene Leistung des Säure/Alkali-Hybridelektrolyseurs ist auf die Integration hervorragender Anoden- und Kathodenkatalysatoren, die Kombination von Elektrolyse mit MOR und die effektive Nutzung der elektrochemischen Neutralisierungsenergie zurückzuführen.
Diese Studie beleuchtet innovative Elektroneneffizienz- und Energiespartechniken für die CO2-Elektrolyse sowie die Entwicklung hocheffizienter Elektrokatalysatoren.
Zum Forschungsteam gehörten Prof. Wen Zhenhai und Assoc. Prof. Chen Qingsong vom Fujian Institute of Research on the Structure of Matter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.
Weitere Informationen:
Xin Li et al., Elektroneneffiziente Co-Elektrosynthese von Formiaten aus CO2- und Methanol-Rohstoffen, Angewandte Chemie Internationale Ausgabe (2024). DOI: 10.1002/ange.202412410