Construcción de vías eficientes de transferencia de masa para la reacción electrocatalítica de reducción de dióxido de carbono

24 de julio de 2023

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por Science China Press

Dado que la cantidad de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera está aumentando debido a las actividades humanas, el acelerado efecto invernadero y el calentamiento global se han convertido en preocupaciones comunes. Para mitigar estos problemas ambientales, se han desarrollado varias tecnologías para utilizar CO2.

La reacción electrocatalítica de reducción de CO2 (CO2RR) es una tecnología eminentemente atractiva para convertir CO2 en productos de valor añadido utilizando energías renovables (por ejemplo, energía solar y eólica). Para cumplir con los requisitos para aplicaciones industriales de CO2RR, se emplean ampliamente conjuntos de electrodos de membrana (MEA) basados ​​en electrodos de difusión de gas (GDE).

En el GDE, la capa de catalizador (CL) es el lugar principal para la reacción catalítica, que normalmente contiene el catalizador, el soporte del catalizador y el ionómero. La preparación de CL mediante métodos basados ​​en tinta suele sufrir una distribución no homogénea del ionómero, lo que afecta al transporte de iones y CO2.

Por lo tanto, la optimización racional de la distribución espacial del ionómero es beneficiosa para promover la transferencia de masa y mejorar el rendimiento catalítico. Además de métodos como ajustar la polaridad del disolvente y mejorar la interacción entre el catalizador y el ionómero, todavía existe la demanda de desarrollar un enfoque más proactivo y controlable para optimizar aún más la distribución del ionómero para lograr un buen rendimiento para la aplicación práctica de CO2RR. sistemas.

En respuesta a este desafío, el Equipo de Aventura de Energía y Catálisis dirigido por el profesor Jinlong Gong de la Universidad de Tianjin ha desarrollado un método de preconfinamiento de ionómero. Específicamente, el ionómero se introdujo durante el proceso sintético del electrocatalizador, lo que llevó a la formación del electrocatalizador confinado en ionómero para la construcción de GDE. Este método favorece la construcción de GDE con distribución uniforme de ionómero, remitiendo así los problemas de transferencia de masa provocados por su acumulación.

Al optimizar la distribución de ionómero en los GDE, se promueve el transporte de iones dentro del CL. Los iones generados en los sitios de reacción podrían transferirse rápidamente al ánodo. Además, el ionómero espacialmente uniforme evita la alta resistencia a la transferencia de masa local causada por la acumulación de ionómero, lo que mejora el transporte de CO2 y mejora el rendimiento catalítico.

Por lo tanto, los GDE optimizados poseían un voltaje de celda relativamente bajo (aproximadamente 3,3 V a 300 mA cm-2) y una alta eficiencia faradaica de CO de más del 90% incluso con una alta densidad de corriente de 600 mA cm-2. Este electrodo también logra una catálisis estable a una densidad de corriente de 300 mA cm-2 durante más de 220 h. Se prevé que la información recopilada en este estudio inspirará el diseño óptimo de los GDE, proporcionando así una referencia para realizar la aplicación práctica de CO2RR.

Más información: Xiaowei Du et al, Confinamiento de ionómero para la reacción electrocatalítica de reducción de CO2 mediante vías eficientes de transferencia de masa, National Science Review (2023). DOI: 10.1093/nsr/nwad149

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