Een KAIST-onderzoeksteam presenteerde drie nieuwe benaderingen voor het moduleren van lokale koolstofdioxide (CO ₂ ) concentratie in op gasdiffusie-elektrode (GDE) gebaseerde stroomelektrolyzers. Hun studie toonde ook empirisch aan dat het verstrekken van een matige lokale CO ₂ concentratie is effectief bij het bevorderen van koolstof-koolstof (C-C) koppelingsreacties in de richting van de productie van moleculen met meerdere koolstofatomen. Dit werk, in het Joule-nummer van 20 mei, dient als een rationele gids om CO . af te stemmen ₂ massatransport voor de optimale productie van waardevolle multi-carbon producten.

Te midden van wereldwijde inspanningen om antropogene CO . te verminderen en te recyclen ₂ uitstoot, CO ₂ elektrolyse is veelbelovend voor het omzetten van CO ₂ in bruikbare chemicaliën die traditioneel werden gewonnen uit fossiele brandstoffen. Veel onderzoeken hebben geprobeerd de selectiviteit van CO . te verbeteren ₂ voor commercieel en industrieel hoogwaardige multi-koolstofproducten zoals ethyleen, ethanol, en 1-propanol, vanwege hun hoge energiedichtheid en grote marktomvang.

Om de zeer selectieve omzetting van CO ₂ in waardevolle multi-koolstofproducten, eerdere studies hebben zich gericht op het ontwerp van katalysatoren en het afstemmen van de lokale omgeving met betrekking tot pH, kationen, en moleculaire additieven.

Conventionele CO ₂ elektrolytische systemen waren sterk afhankelijk van een alkalische elektrolyt die vaak in grote hoeveelheden wordt verbruikt bij de reactie met CO ₂ , en dus geleid tot een stijging van de operationele kosten. Bovendien, de levensduur van een katalysatorelektrode was kort, vanwege de inherente chemische reactiviteit.

In hun recente studie, een groep KAIST-onderzoekers onder leiding van professor Jihun Oh van de afdeling Materials Science and Engineering meldde dat de lokale CO ₂ concentratie is een over het hoofd geziene factor die de selectiviteit naar multi-koolstofproducten grotendeels beïnvloedt.

Professor Oh en zijn onderzoekers Dr. Ying Chuan Tan, Hakhyeon-lied, en Kelvin Berm Lee stelden voor dat er een intieme relatie is tussen lokale CO ₂ en multi-koolstof productselectiviteit tijdens elektrochemische CO ₂ reductie reacties. Het team gebruikte de massatransportmodellering van een op GDE gebaseerde stroomelektrolyser die koperoxide (Cu2O) nanodeeltjes als modelkatalysatoren gebruikt. Vervolgens identificeerden en pasten ze drie benaderingen toe om de lokale CO . te moduleren ₂ concentratie binnen een op GDE gebaseerd elektrolytisch systeem, inclusief 1) het regelen van de katalysatorlaagstructuur, 2) CO ₂ voer concentratie, en 3) voedingsstroomsnelheid.

In tegenstelling tot de algemene intuïtie, de studie toonde aan dat het verstrekken van een maximale CO ₂ transport leidt tot een suboptimale multi-koolstofproduct faraday-efficiëntie. In plaats daarvan, door het beperken en voorzien van een matige lokale CO ₂ concentratie, C–C-koppeling kan aanzienlijk worden verbeterd.

De onderzoekers toonden experimenteel aan dat de selectiviteit toenam van 25,4% naar 61,9%, en van 5,9% naar 22,6% voor de CO ₂ conversieratio. Toen een goedkope, mildere, bijna neutrale elektrolyt werd gebruikt, de stabiliteit van de CO ₂ elektrolytische systeem sterk verbeterd, waardoor meer dan 10 uur gestage selectieve productie van multi-koolstofproducten mogelijk is.

Dr Tan, de hoofdauteur van het artikel, zei, "Ons onderzoek heeft duidelijk gemaakt dat de optimalisatie van de lokale CO ₂ concentratie is de sleutel tot het maximaliseren van de efficiëntie van het omzetten van CO ₂ tot hoogwaardige multi-koolstofproducten."

Professor Oh voegde toe, "Deze bevinding zal naar verwachting nieuwe inzichten opleveren voor de onderzoeksgemeenschap dat variabelen die van invloed zijn op lokale CO ₂ concentratie zijn ook invloedrijke factoren in de elektrochemische CO ₂ reductie reactie prestaties. Mijn collega's en ik hopen dat onze studie een hoeksteen wordt voor verwante technologieën en hun industriële toepassingen."