集成原子尺度催化剂设计与传输工程：用于稳定高效 CO2 电解至 CO 的膜电极组件
材料科学
2025-11-20 v1
摘要
电化学 CO2 还原 (CO2R) 提供了通过生产碳中性燃料来实现化学制造去碳化的前景。然而，膜电极组件 (MEA) 反应器的性能和稳定性不足限制了商业可行性，其两个指标直接受到 CO2R 催化剂的影响。本文通过两种不同的碳支撑材料开发了原子分散的镍氮碳 (Ni-NC) 催化剂。采用碳纳米管作为支撑材料时，所得 Ni-NCNT 电极实现了 CO 产物的部分电流密度为 558 mA cm-2，Faradaic 效率为 92%，在 3.2 V 电压下的能源效率为 39%，总电流密度为 607 mA cm-2。MEA 显示在 100 mA cm-2 下可稳定运行 210 小时，优于先前报道的 Ni-NC 催化剂。离子束-扫描电子显微镜 (FIB-SEM) 断层扫描显示，催化剂支撑材料对电极性能发挥关键作用。利用 FIB-SEM 断层扫描获取的催化层 3D 重构图像进行 COMSOL 多物理力学仿真，表明 Ni-NCNT 电极的更高 CO2R 性能源于改进的 CO2 扩散和更均匀的电流密度分布，与使用碳黑作为支撑材料制备的 Ni-NCB 电极相比。Ni-NCNT 的稳定性和性能与最先进的银基催化剂相媲美，而底部方法成本分析估计 Ni-NC 催化剂的购买成本约为 589 美元每公斤，显著低于约 1900 美元每公斤的银基催化剂估计成本。
引用
@article{arxiv.2511.15042,
title = {Integrating Atomic Scale Catalyst Design with Transport Engineering for Stable and Efficient CO2 Electrolysis to CO in a Membrane Electrode Assembly},
author = {Zahra Teimouri and Mahtab Masouminia and Ashkan Irannezhad and Reza Eslami and Joseph Deering and Navid Noor and Shunquan Tan and Amirhossein Foroozan and Shayan Angizi and Sung-Fu Hun and Drew Higgins},
journal= {arXiv preprint arXiv:2511.15042},
year = {2025}
}
备注
32 pages, 7 figures