Kea leboha ha le etetse Nature.com. Mofuta wa sebatli seo o se sebedisang o na le tshehetso e fokolang ya CSS. Bakeng sa diphetho tse ntle ka ho fetisisa, re kgothaletsa hore o sebedise mofuta o motjha wa sebatli sa hao (kapa o tima Mokgwa wa ho Kopana ho Internet Explorer). Ho sa le jwalo, ho netefatsa tshehetso e tswelang pele, re bontsha sebaka sena sa marang-rang ntle le setaele kapa JavaScript.
Phokotso ea electrochemical ea carbon dioxide ho ea ho formic acid ke mokhoa o tšepisang oa ho ntlafatsa ts'ebeliso ea carbon dioxide 'me e na le lits'ebetso tse ka bang teng e le mokhoa oa polokelo ea haeterojene. Mosebetsing ona, moralo oa kopano ea electrode ea lera la lera la lera la lera o ntlafalitsoe bakeng sa tlhahiso e tobileng ea electrochemical ea formic acid ho tsoa ho carbon dioxide. Tsoelo-pele ea bohlokoa ea theknoloji ke lera la phapanyetsano ea cation le nang le masoba, leo, ha le sebelisoa sebopehong sa lera la bipolar le nang le leeme pele, le lumellang formic acid e entsoeng sebopehong sa lera ho fallisoa ka tšimo ea phallo ea anodic ka mahloriso a tlase ho 0.25 M. Ntle le likarolo tse ling tsa sandwich pakeng tsa anode le cathode mohopolo o ikemiselitse ho sebelisa lisebelisoa le meralo ea betri e teng e tloaelehileng liseleng tsa mafura le electrolysis ea haeterojene, e lumellang phetoho e potlakileng ho ea ho holisa le ho rekisoa. Seleng ea 25 cm2, tlhophiso ea lera la phapanyetsano ea cation le nang le masoba e fana ka >75% ea katleho ea Faraday bakeng sa formic acid ho <2 V le 300 mA/cm2. Habohlokoa le ho feta, teko ea botsitso ea lihora tse 55 ho 200 mA/cm2 e bontšitse katleho e tsitsitseng ea Faraday le motlakase oa sele. Tlhahlobo ea theknoloji le moruo e sebelisoa ho bontša litsela tsa ho fihlela tekanyo ea litšenyehelo le mekhoa ea hona joale ea tlhahiso ea formic acid.
Phokotso ea electrochemical ea carbon dioxide ho ea ho formic acid ho sebelisoa motlakase o nchafatsoang e bontšitsoe e fokotsa litšenyehelo tsa tlhahiso ka ho fihla ho 75%1 ha e bapisoa le mekhoa ea setso e thehiloeng mafura a mesaletsa ea lintho tsa khale. Joalokaha ho bontšitsoe lingoliloeng2,3, formic acid e na le mefuta e mengata ea lits'ebetso, ho tloha mokhoeng o sebetsang hantle le o theko e tlaase oa ho boloka le ho tsamaisa haetrojene ho ea phepelong ea lijo bakeng sa indasteri ea lik'hemik'hale4,5 kapa indasteri ea biomass6. Formic acid e bile e khetholloa e le phepelo ea lijo bakeng sa phetoho e latelang ho ba li-intermediate tsa mafura a jet tse tsitsitseng ho sebelisoa boenjiniere ba metabolism7,8. Ka nts'etsopele ea moruo oa formic acid1,9, mesebetsi e 'maloa ea lipatlisiso e shebane le ho ntlafatsa khetho ea catalyst10,11,12,13,14,15,16. Leha ho le joalo, boiteko bo bongata bo ntse bo tsoela pele ho tsepamisa maikutlo ho lisele tse nyane tsa H kapa lisele tsa phallo ea metsi tse sebetsang ka bongata bo tlase ba motlakase (<50 mA/cm2). Ho fokotsa litšenyehelo, ho fihlella khoebo le ho eketsa ho kenella ha 'maraka ka mor'a moo, phokotso ea electrochemical carbon dioxide (CO2R) e tlameha ho etsoa ka bongata bo phahameng ba motlakase (≥200 mA/cm2) le Faraday efficiency (FE)17 ha ho ntse ho sebelisoa lisebelisoa tse ngata le ho sebelisa likarolo tsa betri tse tsoang liseleng tsa mafura tsa Technology le electrolysis ea metsi ho lumella lisebelisoa tsa CO2R ho sebelisa monyetla oa moruo oa tekanyo e phahameng18. Ho phaella moo, ho eketsa ts'ebeliso ea tlhahiso le ho qoba ts'ebetso e eketsehileng ea ho theoha, formic acid e lokela ho sebelisoa e le sehlahisoa sa ho qetela ho fapana le ho etsa matsoai a 19.
Ka lehlakoreng lena, boiteko ba morao tjena bo entsoe ho nts'etsapele disebediswa tsa CO2R formate/formic acid e thehilweng hodima khase di-electrode (GDE) tse amehang indastering. Tlhahlobo e felletseng ya Fernandez-Caso et al.20 e akaretsa dibopeho tsohle tsa sele ya electrochemical bakeng sa phokotso e tswelang pele ya CO2 ho ya ho formic acid/formate. Ka kakaretso, dibopeho tsohle tse teng di ka arolwa ka mekhahlelo e meraro e meholo: 1. Di-catholytes tse phallang19,21,22,23,24,25,26,27, 2. Lera le le leng (lera la phapanyetsano ya cation (CEM)28 kapa lera la phapanyetsano ya anion (AEM)29 le 3. Sebopeho sa Sandwich15,30,31,32. Dikarolo tse nolofaditsweng tsa dibopeho tsena di bontshitswe ho Setshwantsho sa 1a. Bakeng sa tlhophiso ya phallo ya catholyte, kamore ya electrolyte e etswa pakeng tsa lera le cathode ya GDE. Catholyte e phallang e sebedisetswa ho theha dikanale tsa ion lera la cathode la catalyst33, le hoja tlhoko ya yona ya ho laola ho kgetha ha formate e phehisanwa ka34. Leha ho le jwalo, tlhophiso ena e sebedisitswe ke Chen et al. Ho sebedisa cathode ya SnO2 hodima substrate ya carbon e nang le lera la catholyte le teteaneng la 1.27 mm, ho fihlela ho 90% FE 35 ho 500 mA/cm2 ho ile ha fihlellwa. Motswako wa lera le teteaneng la catholyte le lera la bipolar le sekametseng morao (BPM) le fokotsang phetiso ea ion le fana ka motlakase o sebetsang oa 6 V le katleho ea matla ea 15%. Ho ntlafatsa katleho ea matla, Li et al., ba sebelisa sebopeho se le seng sa CEM, ba fihletse FE 29 ea 93.3% ka bongata ba hona joale ba 51.7 mA/cm2. Diaz-Sainz et al.28 ba sebelisitse mochine oa ho filthara o nang le lera la CEM le le leng ka bongata ba hona joale ba 45 mA/cm2. Leha ho le joalo, mekhoa eohle e hlahisitse formate ho fapana le sehlahisoa se khethiloeng, formic acid. Ntle le litlhoko tse ling tsa ts'ebetso, litlhophisong tsa CEM, liforomo tse kang KCOOH li ka bokellana kapele tšimong ea GDE le phallo, li baka lithibelo tsa lipalangoang le ho hloleha ha sele qetellong.
Papiso ea CO2R e meraro e hlahelletseng ka ho fetisisa ho litlhophiso tsa sesebelisoa sa phetoho ea formate/formic acid le meralo e sisintsoeng thutong ena. b Papiso ea kakaretso ea tlhahiso ea asiti ea hona joale le formate/formic bakeng sa litlhophiso tsa catholyte, litlhophiso tsa sandwich, litlhophiso tsa CEM e le 'ngoe libukeng (tse bontšitsoeng ho Tlatsetso ea S1) le mosebetsi oa rona. Matšoao a bulehileng a bontša tlhahiso ea tharollo ea formate, 'me matšoao a tiileng a bontša tlhahiso ea formic acid. *Tlhophiso e bontšitsoeng ho sebelisoa hydrogen ho anode. c Tlhophiso ea MEA ea Zero-gap e sebelisang lera la bipolar le kopaneng le nang le lera la phapanyetsano ea cation le nang le masoba le sebetsang ka mokhoa oa forward bias.
Ho thibela ho thehwa ha sebopeho, Proietto le ba bang 32 ba sebelisitse sebopeho sa khatiso ea sefa se sa arohaneng moo metsi a hloekisitsoeng a phallang ka har'a sekala. Sistimi e ka fihlella >70% CE ka har'a tekanyo ea hona joale ea 50–80 mA/cm2. Ka mokhoa o ts'oanang, Yang le ba bang 14 ba sisintse tšebeliso ea sekala se tiileng sa electrolyte pakeng tsa CEM le AEM ho khothaletsa ho thehwa ha formic acid. Yang le ba bang 31,36 ba fihletse 91.3% FE ka seleng ea 5 cm2 ho 200 mA/cm2, ba hlahisa tharollo ea formic acid ea 6.35 wt%. Xia le ba bang. Ha ba sebelisa sebopeho se tšoanang, phetoho ea 83% ea carbon dioxide (CO2) ho formic acid FE e fihletsoe ho 200 mA/cm2, 'me ho tšoarella ha sistimi ho ile ha lekoa ka lihora tse 100 le metsotso e 30. Leha liphetho tse nyane li tšepisa, litšenyehelo tse eketsehileng le ho rarahana ha li-resin tsa phapanyetsano ea li-ion tse nang le masoba li etsa hore ho be thata ho holisa litlhophiso tsa mekhahlelo e fapaneng ho ea litsamaisong tse kholo (mohlala, 1000 cm2).
Ho bona phello ea meralo e fapaneng, re hlophisitse tlhahiso ea formate/formic acid ka kWh bakeng sa litsamaiso tsohle tse boletsoeng pejana 'me ra li taka ho Setšoantšo sa 1b. Ho hlakile mona hore sistimi efe kapa efe e nang le catholyte kapa interlayer e tla fihla sehlohlolong sa ts'ebetso ea eona ka bongata ba hona joale bo tlase 'me e senyehe ka bongata ba hona joale bo phahameng, moo moeli oa ohmic o ka khethollang motlakase oa sele. Ho feta moo, leha sebopeho sa CEM se bolokang matla se fana ka tlhahiso e phahameng ka ho fetisisa ea molar formic acid ka kWh, ho bokellana ha letsoai ho ka lebisa ho senyeha ha ts'ebetso ka potlako ka bongata ba hona joale.
Ho fokotsa mekhoa ea ho hloleha e neng e tšohloa pele, re qapile kopano ea electrode ea membrane (MEA) e nang le BPM e kopaneng e nang le lera la phapanyetsano ea cation e nang le masoba (PCEM). Meralo e bontšitsoe ho Setšoantšo sa 1c. Hydrogen (H2) e kenngoa ka har'a anode ho hlahisa liprothone ka karabelo ea oxidation ea hydrogen (HOR). Lera la PCEM le kenngoa tsamaisong ea BPM ho lumella li-ion tsa formate tse hlahisoang ka cathode ho feta ka AEM, li kopantsoe le liprothone ho etsa formic acid ho sebopeho sa BPM le li-pores tsa interstitial tsa CEM, ebe li tsoa ka har'a anode ea GDE le tšimo ea phallo. . Re sebelisa tlhophiso ena, re fihletse >75% FE ea formic acid ho <2 V le 300 mA/cm2 bakeng sa sebaka sa sele sa 25 cm2. Habohlokoa le ho feta, moralo o sebelisa likarolo tse fumanehang khoebong le meralo ea hardware bakeng sa limela tsa sele ea mafura le electrolysis ea metsi, e leng se lumellang nako e potlakileng ea ho hola. Litlhophiso tsa Catholyte li na le likamore tsa phallo ea catholyte tse ka bakang ho se leka-lekane ha khatello lipakeng tsa mekhahlelo ea khase le metsi, haholo-holo litlhophisong tse kholo tsa sele. Bakeng sa meaho ea sandwich e nang le mekhahlelo e nang le masoba ea phallo ea mokelikeli, ho hlokahala boiteko bo boholo ho ntlafatsa lera le nang le masoba a mahareng ho fokotsa ho theoha ha khatello le ho bokellana ha carbon dioxide ka har'a lera le nang le masoba. Tsena ka bobeli li ka lebisa tšitiso ea puisano ea sele. Hape ho thata ho hlahisa mekhahlelo e tšesaane e nang le masoba a ikemetseng ka tekanyo e kholo. Ka lehlakoreng le leng, tlhophiso e ncha e sisintsoeng ke tlhophiso ea MEA ea lekhalo la zero-gap e se nang kamore ea phallo kapa lera le nang le masiba a mahareng. Ha e bapisoa le lisele tse ling tsa electrochemical tse teng, tlhophiso e sisintsoeng e ikhetha ka hore e lumella ho kopanngoa ka kotloloho ha formic acid ka tlhophiso e ka atolosoang, e bolokang matla, le lekhalo la lero-gap.
Ho thibela phetoho ea haeterojene, boiteko bo boholo ba ho fokotsa CO2 bo sebelisitse litlhophiso tsa lera la MEA le AEM hammoho le li-electrolyte tse nang le molar concentration e phahameng (mohlala, 1-10 M KOH) ho theha maemo a alkaline ho cathode (joalokaha ho bontšitsoe ho Setšoantšo sa 2a). Litlhophisong tsena, li-ion tsa formate tse entsoeng ho cathode li feta ka har'a lera e le mefuta e nang le tjhaja e mpe, ebe KCOOH ea thehoa 'me e tsoa tsamaisong ka molapo oa anodic KOH. Le hoja formate FE le motlakase oa sele li ne li le ntle qalong joalo ka ha ho bontšitsoe ho Setšoantšo sa 2b, tlhahlobo ea botsitso e ile ea fella ka phokotso ea FE ea hoo e ka bang 30% ka lihora tse 10 feela (Setšoantšo sa S1a–c). Ho lokela ho hlokomeloa hore tšebeliso ea anolyte ea 1 M KOH e bohlokoa ho fokotsa anodic overvoltage lits'ebetsong tsa alkaline oxygen evolution reaction (OER)37 le ho fihlela phihlello ea ion ka har'a cathode catalyst bed33. Ha mahloriso a anolyte a fokotsehile ho 0.1 M KOH, motlakase oa sele le oxidation ea formic acid (tahlehelo ea formic acid) lia eketseha (Setšoantšo S1d), ho bonts'a phapanyetsano ea zero-sum. Tekanyo ea oxidation ea formate e hlahlobiloe ho sebelisoa tekanyo e akaretsang ea boima; bakeng sa lintlha tse ling, bona karolo ea "Mekhoa". Tshebetso e sebelisang MEA le li-configurations tsa lera la single CEM le eona e ithutiloe, 'me liphetho li bontšitsoe ho Setšoantšo S1f,g. FE formate e bokelletsoeng ho tsoa ho cathode e ne e le >60% ho 200 mA/cm2 qalong ea teko, empa e ile ea senyeha ka potlako nakong ea lihora tse peli ka lebaka la pokello ea letsoai la cathode e boletsoeng pejana (Setšoantšo S11).
Sekema sa MEA e se nang lekhalo la zero e nang le CO2R ho cathode, karabelo ea oxidation ea hydrogen (HOR) kapa OER ho anode, le lera le le leng la AEM lipakeng. b FE le motlakase oa sele bakeng sa tlhophiso ena ka 1 M KOH le OER tse phallang ho anode. Li-error bars li emela ho kheloha ho tloaelehileng ha litekanyo tse tharo tse fapaneng. ho FE le motlakase oa sele oa sistimi o nang le H2 le HOR ho anode. Mebala e fapaneng e sebelisoa ho khetholla tlhahiso ea formate le formic acid. d Setšoantšo sa sekema sa MEA se nang le BPM se fetotsoeng pele bohareng. FE le motlakase oa betri khahlanong le nako ho 200 mA/cm2 ho sebelisoa tlhophiso ena. f Setšoantšo sa karolo e tšekaletseng sa BPM MEA e sekametseng pele kamora teko e khuts'oane.
Ho hlahisa formic acid, haedrojene e fuoa catalyst ea Pt-on-carbon (Pt/C) ho anode. Joalokaha ho bontšitsoe ho Setšoantšo sa 2d, ho kile ha etsoa lipatlisiso ka liprothone tse hlahisang BPM tse leeme pele ho anode ho fihlela tlhahiso ea formic acid. Yuniti ea ho lokisa ea BPM e ile ea hloleha kamora metsotso e 40 ea ts'ebetso ka motlakase oa 200 mA/cm2, e tsamaeang le ho phahama ha motlakase ho feta 5 V (Setšoantšo sa 2e). Kamora liteko, ho ile ha bonoa delamination e totobetseng ho interface ea CEM/AEM. Ntle le formate, li-anion tse kang carbonate, bicarbonate le hydroxide le tsona li ka feta ka har'a lera la AEM 'me tsa arabela le liprothone ho interface ea CEM/AEM ho hlahisa khase ea CO2 le metsi a metsi, e leng se lebisang ho delamination ea BPM (Setšoantšo sa 2f) le , qetellong se lebisang ho hloleheng ha sele.
Ho latela mekhoa ea ts'ebetso le ho hloleha ha sebopeho se kaholimo, ho hlahisoa moralo o mocha oa MEA joalo ka ha ho bontšitsoe ho Setšoantšo sa 1c 'me ho hlalositsoe ka botlalo ho Setšoantšo sa 3a38. Mona, lera la PCEM le fana ka tsela ea ho falla ha formic acid le li-anion ho tloha sebopehong sa CEM/AEM, ka hona ho fokotsa ho bokellana ha ntho. Ka nako e ts'oanang, tsela ea PCEM interstitial e lebisa formic acid sebakeng sa ho hasanya le tšimo ea phallo, e fokotsa monyetla oa ho oxidation ea formic acid. Liphetho tsa polarization tse sebelisang AEM tse nang le botenya ba 80, 40 le 25 mm li bontšitsoe ho Setšoantšo sa 3b. Joalokaha ho lebelletsoe, leha motlakase oa sele ka kakaretso o eketseha ka botenya bo eketsehileng ba AEM, ho sebelisa AEM e teteaneng ho thibela ho hasana ha formic acid morao, ka hona ho eketsa cathode pH le ho fokotsa tlhahiso ea H2 (Setšoantšo sa 3c–e).
Setšoantšo sa sebopeho sa MEA se nang le AEM le CEM e phunyehileng le litsela tse fapaneng tsa ho tsamaisa formic acid. b Voltage ea sele ka bongata bo fapaneng ba hona joale le botenya bo fapaneng ba AEM. ho EE ka bongata bo fapaneng ba hona joale ka botenya ba AEM ba 80 μm (d) 40 μm, e) 25 μm. Litšitiso tsa liphoso li emela ho kheloha ho tloaelehileng ho lekantsoeng ho tsoa lisampoleng tse tharo tse arohaneng. f Liphetho tsa ketsiso ea mahloriso a formic acid le boleng ba pH ho sebopeho sa CEM/AEM ka botenya bo fapaneng ba AEM. f PC le pH lera la cathode la catalyst ka botenya bo fapaneng ba filimi ea AEM. g Kabo ea mahlakore a mabeli ea mahloriso a formic acid ka sebopeho sa CEM/AEM le masoba.
Setšoantšo sa S2 se bonts'a kabo ea mahloriso a formic acid le pH ho pholletsa le botenya ba MEA ho sebelisoa mohlala oa Poisson-Nernst-Planck finite element. Ha ho makatse hore ebe mahloriso a phahameng ka ho fetisisa a formic acid, 0.23 mol/L, a bonoa ho CEM/AEM interface, kaha formic acid e thehoa ho interface ena. Mahloriso a formic acid ka AEM a fokotseha ka potlako ha botenya ba AEM bo ntse bo eketseha, ho bontša khanyetso e kholo ho phetiso ea boima le phallo e fokolang ea formic acid ka lebaka la ho hasana ha mokokotlo. Setšoantšo sa 3 f le g se bonts'a boleng ba pH le formic acid betheng ea cathode catalyst e bakoang ke ho hasana ha mokokotlo le kabo ea mahlakore a mabeli ea mahloriso a formic acid, ka ho latellana. Ha lera la AEM le lesesaane, mahloriso a formic acid haufi le cathode a phahama, 'me pH ea cathode e fetoha acidic. Ka hona, leha li-membrane tse teteaneng tsa AEM li fella ka tahlehelo e phahameng ea ohmic, li bohlokoa ho thibela ho hasana ha mokokotlo oa formic acid ho cathode le ho eketsa bohloeki bo phahameng ba sistimi ea FE formic acid. Qetellong, ho eketsa botenya ba AEM ho 80 μm ho ile ha fella ka FE >75% bakeng sa formic acid ho <2 V le 300 mA/cm2 bakeng sa sebaka sa sele sa 25 cm2.
Ho leka botsitso ba moralo ona o thehilweng ho PECM, motlakase wa betri o ile wa bolokwa ho 200 mA/cm2 ka dihora tse 55. Diphetho ka kakaretso di bontshitswe ho Setshwantsho sa 4, ka diphetho tse tswang dihoreng tse 3 tsa pele tse totobaditsweng ho Setshwantsho sa S3. Ha ho sebediswa Pt/C anodic catalyst, motlakase wa sele o ile wa eketseha ka matla nakong ya metsotso e 30 ya pele (Setshwantsho sa S3a). Nakong e telele, motlakase wa sele o ile wa dula o batla o tsitsitse, o fana ka sekgahla sa ho senyeha ha 0.6 mV/h (Setshwantsho sa 4a). Qalong ya teko, PV ya formic acid e bokelletsweng ho anode e ne e le 76.5% mme PV ya haedrojene e bokelletsweng ho cathode e ne e le 19.2%. Kamora hora ya pele ya teko, hydrogen FE e theohetse ho 13.8%, e leng se bontshang ntlafalo ya ho kgetha ha formate. Leha ho le jwalo, sekgahla sa oxidation sa formic acid tsamaisong se theohetse ho 62.7% ka hora e le nngwe, mme sekgahla sa oxidation sa formic acid ya anodic se eketsehile ho tloha ho lefela qalong ya teko ho ya ho 17.0%. Ka mora moo, FE ya H2, CO, formic acid le sekgahla sa oxidation ya formic acid ya anodic e ile ya dula e tsitsitse nakong ya teko. Keketseho ya oxidation ya formic acid nakong ya hora ya pele e ka bakwa ke ho bokellana ha formic acid sebopehong sa PCEM/AEM. Ha mahloriso a formic acid a ntse a eketseha, ha e tswe feela ka ho phunyeha ha lera, empa hape e hasanya ka FEM ka boyona mme e kena lera la anode la Pt/C. Kaha formic acid ke mokelikeli ho 60°C, ho bokellana ha yona ho ka baka mathata a phetisetso ya bongata mme ha fella ka oxidation e kgethehileng ho feta haeterojene.
Motlakase oa sele khahlanong le nako (200 mA/cm2, 60 °C). Setšoantšo se ka hare se bontša setšoantšo sa microscope ea optical sa karolo e tšekaletseng ea MEA e nang le EM e phunyehileng. Sekala sa scale: 300 µm. b Bohloeki ba PE le formic acid e le mosebetsi oa nako ho 200 mA/cm2 ho sebelisoa anode ea Pt/C.
Sebopeho sa disampole qalong ya teko (BOT) nakong ya ho itokisa le qetellong ya teko (EOT) kamora dihora tse 55 tsa teko ya botsitso se ile sa tshwauwa ka ho sebedisa nano-X-ray computed tomography (nano-CT), jwalo ka ha ho bontshitswe ho Setshwantsho sa 5 a. Sampole ya EOT e na le boholo bo boholo ba dikarolwana tsa catalyst tse nang le bophara ba 1207 nm ha di bapiswa le 930 nm bakeng sa BOT. Ditshwantsho tsa high-angle annular dark-field scanning electron microscopy (HAADF-STEM) le diphetho tsa energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) di bontshitswe ho Setshwantsho sa 5b. Le hoja mokato wa catalyst wa BOT o na le boholo ba dikarolwana tse nyane tsa catalyst hammoho le di-agglomerate tse ding tse kgolo, mohatong wa EOT mokato wa catalyst o ka arolwa ka dibaka tse pedi tse fapaneng: e nngwe e nang le dikarolwana tse tiileng tse kgolo haholo mme e nngwe e nang le dibaka tse nang le masoba a mangata. Palo ya dikarolwana tse nyane. Setshwantsho sa EDS se bontsha hore dikarolwana tse kgolo tse tiileng di ruile ho Bi, mohlomong Bi ya tshepe, mme dibaka tse nang le masoba di ruile oksijene. Ha sele e sebetsoa ho 200 mA/cm2, bokgoni bo bobe ba cathode bo tla baka phokotso ya Bi2O3, jwalo ka ha ho pakwa ke diphetho tsa in situ X-ray absorption spectroscopy tse tshohlwang ka tlase. Diphetho tsa 'mapa wa HAADF-STEM le EDS di bontsha hore Bi2O3 e feta tshebetsong ya phokotso, e etsang hore e lahlehelwe ke oksijene mme e kopane ho ba dikarolwana tse kgolo tsa tshepe. Dipaterone tsa diffraction tsa X-ray tsa di-cathode tsa BOT le EOT di tiisa tlhaloso ya data ya EDS (Setshwantsho sa 5c): ke Bi2O3 ya kristale feela e ileng ya fumanwa ka har'a cathode ya BOT, mme bimetal ya kristale e ile ya fumanwa ka har'a cathode ya EOT. Ho utlwisisa phello ya bokgoni ba cathode boemong ba oxidation ba cathode catalyst ya Bi2O3, mocheso o ne o fapane ho tloha ho bokgoni ba potoloho e bulehileng (+0.3 V vs RHE) ho isa ho -1.5 V (ha ho bapiswa le RHE). Ho hlokometsoe hore karolo ea Bi2O3 e qala ho fokotseha ho -0.85 V ha e bapisoa le RHE, 'me ho fokotseha ha matla a mola o mosoeu sebakeng sa moeli oa spectrum ho bontša hore Bi ea tšepe e fokotsehile ho 90% ea RHE ho -1.1. V khahlanong le RHE (Setšoantšo sa 5d). Ho sa tsotelehe mokhoa, khetho e akaretsang ea formate ho cathode ha e fetohe, joalo ka ha ho nahanoa ho tsoa ho H2 le CO FE le sebopeho sa formic acid, ho sa tsotelehe liphetoho tse kholo sebopehong sa cathode, boemo ba catalyst oxidation, le sebopeho sa microcrystalline.
Sebopeho sa mahlakore a mararo sa lera la catalyst le kabo ea likaroloana tsa catalyst tse fumanoeng ho sebelisoa nano-X-ray CT. Sekala sa tekanyo: 10 µm. b Top 2: Litšoantšo tsa HAADF-STEM tsa mekhahlelo ea cathode ea li-catalyst tsa BOT le EOT. Sekala sa tekanyo: 1 µm. Tlase 2: Litšoantšo tse holisitsoeng tsa HADF-STEM le EDX tsa lera la cathode la catalyst ea EOT. Sekala sa tekanyo: 100 nm. c Mekhoa ea diffraction ea X-ray ea lisampole tsa cathode tsa BOT le EOT. d In situ X-ray absorption spectra ea Bi2O3 electrode ho 0.1 M KOH e le mosebetsi oa bokhoni (0.8 V ho isa ho -1.5 V khahlanong le RHE).
Ho fumana hantle hore na ke menyetla efe e teng bakeng sa ho ntlafatsa bokgoni ba eneji ka ho thibela oxidation ya formic acid, electrode ya referense ya H2 e sebedisitswe ho hlwaya monehelo wa tahlehelo ya motlakase39. Ka bongata ba hona jwale bo ka tlase ho 500 mA/cm2, bokgoni ba cathode bo dula bo le ka tlase ho -1.25 V. Bokgoni ba anodic bo arotsoe ka dikarolo tse pedi tse kgolo: tekanyo ya hona jwale ya phapanyetsano HOR le overvoltage ya theoretical HOR 40 e boletsweng esale pele ke equation ya Bulter-Volmer e neng e lekantswe pele, mme karolo e setseng e bakwa ke oxidation formic acid. Ka lebaka la kinetics ya karabelo e liehang haholo ha e bapiswa le HOR41, sekgahla se senyenyane sa karabelo ya formic acid oxidation ho anode se ka fella ka keketseho e kgolo ya bokgoni ba anodic. Diphetho di bontsha hore thibelo e felletseng ya formic acid anodic oxidation e ka fedisa overvoltage e ka bang 500 mV.
Ho leka khakanyo ena, sekgahla sa phallo ya metsi a deionized (DI) ho anode inlet se ile sa fetolwa ho fokotsa mahloriso a formic acid e tswang. Ditshwantsho 6b le c di bontsha FE, mahloriso a formic acid, le motlakase wa sele jwalo ka ha ho etswa ha DI flux ho anode ho 200 mA/cm2. Ha sekgahla sa phallo ya metsi a deionized se ntse se eketseha ho tloha ho 3.3 mL/min ho ya ho 25 mL/min, mahloriso a formic acid ho anode a theohile ho tloha ho 0.27 mol/L ho ya ho 0.08 mol/L. Ha ho bapiswa, ho sebediswa sebopeho sa sandwich se sisintsweng ke Xia et al. 30 mahloriso a formic acid a 1.8 mol/L a ile a fumanwa ho 200 mA/cm2. Ho fokotsa mahloriso ho ntlafatsa FE ka kakaretso ya formic acid mme ho fokotsa FE ya H2 ha cathode pH e fetoha alkaline e ngata ka lebaka la ho fokotseha ha phallo ya back of formic acid. Ho fokotseha ha mahloriso a formic acid phallong e phahameng ka ho fetisisa ea DI ho boetse ho felisitse oxidation ea formic acid, e leng se fellang ka motlakase o felletseng oa sele o ka tlase ho 1.7 V ho 200 mA/cm2. Mocheso oa betri o boetse o ama ts'ebetso ka kakaretso, 'me liphetho li bontšitsoe ho Setšoantšo sa S10. Leha ho le joalo, meralo e thehiloeng ho PCEM e ka ntlafatsa haholo ts'ebetso ea matla ho thibeleng oxidation ea formic acid, ebang ke ka ts'ebeliso ea li-catalyst tsa anodic tse nang le khetho e ntlafalitsoeng ea haeterojene ho ea ho formic acid kapa ka ts'ebetso ea sesebelisoa.
a Ho senyeha ha motlakase oa sele ho sebelisoa elektrode ea H2 ea referense ea sele e sebetsang ho 60 °C, anode ea Pt/C le 80 µm AEM. b Maqhubu a FE le formic acid a bokelletsoeng ho 200 mA/cm2 ho sebelisoa sekhahla se fapaneng sa phallo ea metsi a deionized anodic. c Ha anode e bokella formic acid ka maqhubu a fapaneng, motlakase oa sele ke 200 mA/cm2. Li-error bars li emela ho kheloha ho tloaelehileng ha litekanyo tse tharo tse fapaneng. d Theko e tlase ea thekiso e arotsoe ka ts'ebetso ho sekhahla se fapaneng sa phallo ea metsi a deionized ho sebelisoa litheko tsa motlakase tsa indasteri tsa naha tsa US$0.068/kWh le US$4.5/kg hydrogen. (*: Boemo bo tlase ba oxidation ba formic acid ho anode bo nkuwa e le 10 M FA, karolelano ya naha ya theko ya motlakase wa indasteri ke $0.068/kWh, mme haeterojene ke $4.5/kg. **: Boemo bo tlase ba oxidation ke formic acid e nkwang. Kgatelelo ya FA ho anode ke 1.3 M anode, theko ya motlakase ya nakong e tlang e lebelletsweng ke $0.03/kWh, mme mola o nang le matheba o emela theko ya mmaraka ya 85 wt% FA.
Tlhahlobo ea theknoloji le moruo (TEA) e entsoe ho fumana theko e tlase ea thekiso ea liphutheloana tsa mafura tlas'a maemo a fapaneng a ts'ebetso, joalo ka ha ho bontšitsoe ho Setšoantšo sa 5d. Mekhoa le lintlha tsa nalane ea TEA li ka fumanoa ho SI. Ha mahloriso a LC ka har'a mosi oa anode a phahame, ho sa tsotellehe motlakase o phahameng oa sele, litšenyehelo tsohle tsa kopano ea mafura lia fokotseha ka lebaka la phokotso ea litšenyehelo tsa karohano. Haeba oxidation ea anodic ea formic acid e ka fokotsoa ka nts'etsopele ea catalyst kapa theknoloji ea electrode, motsoako oa motlakase o tlase oa sele (1.66 V) le mahloriso a phahameng a FA ka har'a metsi a litšila (10 M) li tla fokotsa litšenyehelo tsa tlhahiso ea electrochemical FA ho ea ho 0.74 US dollars/kg (ho latela motlakase). theko) $0.068/kWh le $4.5/kg hydrogen42. Ho feta moo, ha e kopantsoe le litšenyehelo tse reriloeng tsa nakong e tlang tsa motlakase o nchafatsoang oa $0.03/kWh le hydrogen ea $2.3/kg, sepheo sa metsi a litšila sa FA se fokotseha ho ea ho limilione tse 1.3, se fellang ka litšenyehelo tsa ho qetela tse reriloeng tsa tlhahiso ke US$0.66/kg43. Sena se bapisoa le litheko tsa hona joale tsa 'maraka. Kahoo, boiteko ba nakong e tlang bo shebaneng le thepa ea electrode le meaho bo ka fokotsa ho otloloha ha motlakase ha ka nako e ts'oanang bo lumella ts'ebetso ho li-voltage tse tlase tsa sele ho hlahisa maemo a holimo a LC.
Ka bokhutšoanyane, re ithutile meaho e 'maloa ea MEA ea lekhalo la zero-gap bakeng sa phokotso ea CO2 ho ea ho formic acid mme ra sisinya sebopeho se nang le lera la bipolar le kopantsoeng le nang le leeme le kopaneng ho kenyeletsoa le lera la phapanyetsano ea cation le nang le masoba (PECM) ho nolofatsa sebopeho sa phetisetso ea boima ba lera bakeng sa formic acid e hlahisoang. . Sebopeho sena se hlahisa >96% formic acid maemong a ho fihlela ho 0.25 M (ka sekhahla sa phallo ea anode DI sa 3.3 mL/min). Maemong a phahameng a phallo ea DI (25 mL/min), sebopeho sena se fane ka bongata ba hona joale ba >80% FE ba 200 mA/cm2 ho 1.7 V ho sebelisoa sebaka sa sele sa 25 cm2. Maemong a mahareng a anodic DI (10 mL/min), sebopeho sa PECM se bolokile motlakase o tsitsitseng le maemo a phahameng a formic acid FE bakeng sa lihora tse 55 tsa teko ho 200 mA/cm2. Botsitso bo phahameng le khetho e fihlellehang ke li-catalyst tse fumanehang khoebong le thepa ea polymeric membrane li ka ntlafatsoa haholoanyane ka ho li kopanya le li-electrocatalyst tse ntlafalitsoeng. Mosebetsi o latelang o tla shebana le ho lokisa maemo a tshebetso, ho kgetha anode catalyst, le sebopeho sa MEA ho fokotsa oxidation ya formic acid, e leng se fellang ka phallo e matla haholo di-voltage tse tlase tsa sele. Mokhoa o bonolo wa ho sebedisa carbon dioxide bakeng sa formic acid o hlahisitsweng mona o fedisa tlhoko ya dikamore tsa anolyte le catholyte, dikarolo tsa sandwich, le thepa e ikgethang, ka hona o eketsa bokgoni ba matla a sele le ho fokotsa ho rarahana ha sistimi, e leng se etsang hore ho be bonolo ho hola. Sebopeho se sisintsweng se fana ka sethala sa ntshetsopele ya nakong e tlang ya dimela tsa phetoho ya CO2 tse sebetsang hantle ka botekgeniki le moruong.
Ntle le ha ho boletsoe ka tsela e 'ngoe, lisebelisoa tsohle tsa sehlopha sa lik'hemik'hale le li-solvent li sebelisitsoe kamoo li amohetsoeng kateng. Sesebelisi sa Bismuth oxide (Bi2O3, 80 nm) se rekiloe ho US Research Nanomaterials, Inc. Phofo ea polymer (AP1-CNN8-00-X) e fanoe ke IONOMR. Letšoao la Omnisolv® N-propanol (nPA) le metsi a hloekileng haholo (18.2 Ω, Milli–Q® Advantage A10 tsamaiso ea tlhoekiso ea metsi) li rekiloe ho Millipore Sigma. Methanol le acetone tse netefalitsoeng ke ACS li rekiloe ho VWR Chemicals BDH® le Fisher Chemical, ka ho latellana. Phofo ea polymer e ne e kopantsoe le motsoako oa acetone le methanol ka karolelano ea 1:1 ka boima ho fumana karohano ea polymer ka mahloriso a 6.5 wt.%. Lokisetsa enke ea catalytic ka ho kopanya 20g Bi2O3, metsi a hloekileng haholo, nPA le karohano ea ionomer ka nkho ea 30ml. Motsoako o ne o na le catalyst ea 30 wt.%, karolelano ea boima ba ionomer ho catalyst ea 0.02 le karolelano ea boima ba joala ho metsi ea 2:3 (40 wt.% nPA). Pele ho kopanngoa, 70g ea thepa ea ho sila ea Glen Mills 5mm zirconia e ile ea eketsoa motswakong. Lisampole li ile tsa beoa holim'a rolara ea botlolo ea dijithale ea Fisherbrand™ ka 80 rpm ka lihora tse 26. Lumella enke hore e lule metsotso e 20 pele e sebelisoa. Enke ea Bi2O3 e ile ea sebelisoa ho sesebelisoa sa Qualtech automatic (QPI-AFA6800) ho sebelisoa 1/2″ x 16″ laboratoring wirewound refill (RD Specialties - 60 mil diameter) ho 22°C. 5 mL ea enke ea catalytic e ile ea sebelisoa ho carrier ea carbon gas diffusion ea 7.5 x 8 inch Sigraacet 39 BB carbon diffusion carrier (fuel cell storage) ka ho beha rod ka lebelo le tsitsitseng la karolelano ea 55 mm/sc. Fetisetsa di-electrode tsena tse manehilweng ka ontong mme o di omise ka mocheso wa 80 °C. Mokgwa wa ho maneha le ditshwantsho tsa ho maneha ha GDE di bontshitswe ho Ditshwantsho tsa S4a le b. Sesebediswa sa X-ray fluorescence (XRF) (Fischerscope® XDV-SDD, Fischer-Technolgy Inc. USA) se tiisitse hore mojaro wa GDE o manehilweng e ne e le 3.0 mg Bi2O3/cm2.
Bakeng sa dibopeho tsa lera le kopaneng le nang le lera la phapanyetsano ya anion (AEM) le CEM e nang le masoba. Nafion NC700 (Chemours, USA) e nang le botenya bo bonyenyane ba 15 µm e sebedisitswe e le lera la CEM. Sesebediswa sa anodic se fafaditswe ka ho toba ho FEM ka karolelano ya ionomer ho khabone ya 0.83 le sebaka se kwahetsweng sa 25 cm2. Platinum e tsheheditsweng e nang le sebaka se seholo sa bokahodimo (50 wt.% Pt/C, TEC 10E50E, TANAKA precious metal) e nang le mojaro wa 0.25 mg Pt/cm2 e sebedisitswe e le sesebediswa sa anode. Nafion D2020 (Ion Power, USA) e sebedisitswe e le sesebediswa sa anode bakeng sa lera la anode la sesebediswa sa anode. Sesebediswa sa CEM se etswa ka ho seha mela e bapileng filiming ya CEM ka dinako tse 3mm. Dintlha tsa tshebetso ya ho phunyeletsa di bontshitswe ho Ditshwantsho S12b le c. Ka ho sebedisa X-ray computed tomography, ho ile ha netefatswa hore lekhalo la ho phunyeha e ne e le 32.6 μm, jwalo ka ha ho bontshitswe ho Setshwantsho sa S12d le e. Nakong ya kopano ya sele, lera la CEM le phunyehileng le kwahetsweng ka catalyst le ile la bewa pampiring ya Toray ya 25 cm2 (5 wt% PTFE e phekotsweng, Fuel Cell Store, USA). Lera la AEM (PiperION, Versogen, USA) le nang le botenya ba 25, 40 kapa 80 μm le ile la bewa hodima CEM mme la bewa hodima cathode ya GDE. Lera la AEM le ile la kgaolwa ka dikotwana tsa 7.5 × 7.5 cm ho kwahela tshimo yohle ya phallo mme la kolobiswa bosiu bohle ka hara tharollo ya potassium hydroxide ya 1 M pele ho kopano. Anode le cathode ka bobedi di sebedisa di-spacer tsa PTFE tse teteaneng ho lekana ho fihlella kgatello e ntle ya GDE ya 18%. Dintlha tsa tshebetso ya kopano ya betri di bontshitswe ho Setshwantsho sa S12a.
Nakong ea liteko, sele e kopaneng e ile ea bolokoa ho 60 °C (30, 60, le 80 °C bakeng sa lithuto tsa ho itšetleha ka mocheso) ka 0.8 L/min ea khase ea haedrojene e fepeloang ho anode le 2 L/min ea carbon dioxide e fepeloang ho cathode. Melapo ea moea ea anodic le ea cathodic ka bobeli e ile ea kolobisoa mongobong oa 100% le khatello e felletseng ea cathodic ea 259 kPa. Nakong ea ts'ebetso, molapo oa khase ea cathode o ile oa kopanngoa le tharollo ea 1 M KOH ka sekhahla sa 2 mL/min ho khothaletsa tšebeliso ea bethe ea cathode catalyst le conduction ea ionic. Kopanya molapo oa khase ea anode le metsi a deionized ka sekhahla sa 10 ml/min ho tlosa formic acid ho anode. Lintlha tsa lisebelisoa le lihlahisoa tsa sesebelisoa li bontšitsoe ho Setšoantšo sa S5. Khase ea cathode e ntšang mosi e na le CO2 'me e hlahisa CO le H2. Mouoane oa metsi o tlosoa ka condenser (mochini o futhumatsang mocheso o tlase ho 2°C). Khase e setseng e tla bokelloa bakeng sa tlhahlobo ea nako ea khase. Phallo ea anode e tla boela e fete ka har'a condenser ho arola mokelikeli ho khase. Metsi a litšila a tla bokelloa ka har'a libotlolo tse hloekileng 'me a hlahlojoe ho sebelisoa chronometry ea mokelikeli ho lekanya formic acid e hlahisoang. Liteko tsa electrochemical li entsoe ho sebelisoa Garmy potentiostat (nomoro ea referense 30K, Gamry, USA). Pele ho lekanngoa curve ea polarization, sele e ile ea lokisoa ka makhetlo a 4 ho tloha ho 0 ho isa ho 250 mA/cm2 ho sebelisoa linear voltammetry ka sekhahla sa scan sa 2.5 mA/cm2. Li-curve tsa polarization li fumanoe ka mokhoa oa galvanostatic ka sele e tšoaretsoeng ka bongata bo itseng ba hona joale metsotso e 4 pele ho nkuoa khase ea cathode le mokelikeli oa anolyte.
Re sebelisa electrode ea referense ea haedrojene ho MEA ho arola cathode le anodic potentials. Sebopeho sa electrode ea referense se bontšitsoe ho Setšoantšo sa S6a. Lera la Nafion (Nafion 211, IonPower, USA) le ile la sebelisoa e le borokho ba ionic ho hokahanya lera la MEA le electrode ea referense. Pheletso e 'ngoe ea strip ea Nafion e ne e hokahantsoe le electrode ea 1 cm2 ea ho hasana ha khase (GDE) e nang le 0.25 mg Pt/cm2 (50 wt% Pt/C, TEC10E50E, TANAKA Precious Metals) e tšolotsoeng pampiring ea carbon ea 29BC (Fuel Cell Store, USA). ). Lisebelisoa tse khethehileng tsa polyetherketone (PEEK) li sebelisetsoa ho koala khase le ho netefatsa hore ho na le kamano e ntle pakeng tsa GDE le Nafion strips, le ho hokahanya electrode ea referense le hardware ea sele ea mafura. Pheletso e 'ngoe ea strip ea Nafion e hokahantsoe le moeli o hlahelletseng oa betri ea CEM. Setšoantšo sa S6b se bontša karolo e tšekaletseng ea electrode ea referense e kopantsoeng le MEA.
Kamora hore khase e tswang mosi e fete ka hara condenser le karohano ya khase le mokelikeli, disampole tsa khase di nkuwa ho tswa ho cathode. Khase e bokelletsweng e ile ya sekasekwa bonyane ka makgetlo a mararo ho sebediswa 4900 Micro GC (sefe ya molecular ya 10 μm, Agilent). Disampole di ile tsa bokellwa ka hara mekotla ya sampole ya khase ya foil ya aluminium e nang le mahlakore a mangata e sa sebetseng Supel™ (Sigma-Aldrich) ka nako e itseng (metsotsoana e 30) mme tsa kenngwa ka letsoho ka hara microgas chromatograph nakong ya dihora tse pedi tsa pokello. Mocheso wa ente o ile wa bewa ho 110°C. Carbon monoxide (CO) le hydrogen (H2) di ile tsa arolwa hodima kholomo ya MS5A e futhumaditsweng (105 °C) e nang le kgatello (28 psi) ya 10 m ho sebediswa argon (Matheson Gas-Matheson Purity) e le khase e tsamaisang. Dikgokelo tsena di bonwa ho sebediswa Thermal Conductivity Detector (TCD) e kentsweng kahare. Di-chromatogram tsa GC le di-curve tsa calibration tsa CO le H2 di bontshitswe ho Setšoantšo sa S7. Disampole tsa asiti e metsi e bokelletsoeng ho tsoa ho anode ka nako e itseng (metsotsoana e 120) mme tsa sefshoa ho sebediswa sefe sa 0.22 μm PTFE syringe ka hara dibotlolo tse 2 mL. Dihlahiswa tsa metsi ka hara dibotlolo di ile tsa sekasekwa ho sebediswa sistimi ya Agilent 1260 Infinity II bioinert high-performance liquid chromatography (HPLC), eo ho yona 20 μl ya sampole e ileng ya kenngwa ka autosampler (G5668A) ka mohato o tsamayang wa 4 mM sulfuric acid (H2SO4). ) ka sekgahla sa phallo sa 0.6 ml/min (pompo ya quaternary G5654A). Dihlahiswa di ile tsa arolwa hodima onto e futhumetseng (35°C, column oven G7116A) Aminex HPX-87H 300 × 7.8 mm (Bio-Rad) e etelletsoeng pele ke column ya Micro-Guard Cation H guard. Asiti e boletsweng e ile ya fumanwa ho sebediswa diode array detector (DAD). ka bolelele ba 210 nm le bandwidth ya 4 nm. Kromatogram ea HPL le mothapo o tloaelehileng oa ho lekanya oa formic acid li bontšitsoe ho Setšoantšo sa S7.
Lihlahisoa tsa khase (CO le H2) FE li baloa ho sebelisoa equation e latelang, 'me kakaretso ea li-mole tsa khase e baloa ho sebelisoa equation e ntle ea khase:
Har'a tsona: \({n}_{i}\): palo ea lielektrone karabelong ea electrochemical. \(F\): Kamehla ea Faraday. \({C}_{i}\): Khokahano ea sehlahisoa sa metsi sa HPLC. \(V\): bophahamo ba sampole ea metsi e bokelletsoeng ka nako e behiloeng t. \(j\): bongata ba hona joale. \(A\): Sebaka sa jeometri sa electrode (25 cm2). \(t\): nako ea ho nka sampole. \(P\): khatello e felletseng. \({x}_{i}\): Peresente ea mole ea khase e khethoang ke GC. \(R\): khafetsa ea khase. \(T\): mocheso.
Bongata ba li-anodic cations bo ile ba lekanngoa ka ho sebelisa inductively combined plasma atomic emission spectroscopy (ICP-OES). Li-cations tse ka kenang kapa tsa hasana ka har'a anode li kenyelletsa Ti, Pt, Bi le K. Ntle le K, li-cation tse ling kaofela li ne li le ka tlase ho moeli oa ho lemoha. Theha li-ion ka har'a tharollo li siea anode hore e tsamaisane le liprothone kapa li-cation tse ling. Ka hona, bohloeki ba formic acid bo ka baloa e le
Tlhahiso ea Formate/FA e emela bongata ba FA bo hlahisoang ka kWh ea motlakase o sebelisoang ho sebelisoa sebopeho se itseng sa MEA, ka mol/kWh. E baloa ho latela bongata ba hona joale, motlakase oa sele le katleho ea Faraday tlas'a maemo a itseng a ts'ebetso.
Bala palo ea formic acid e oxidized ho anode ho latela tekanyo ea boima ka kakaretso. Likarabelo tse tharo tse qothisanang lehlokoa li etsahala ho cathode: phetoho ea haedrojene, phokotso ea CO2 ho CO, le phokotso ea CO2 ho formic acid. Hobane re na le ts'ebetso ea formic acid oxidation ho Anton, formic acid FE e ka aroloa likarolo tse peli: pokello ea formic acid le formic acid oxidation. Tekanyo ea boima ka kakaretso e ka ngoloa tjena:
Re sebelisitse GC ho lekanya bongata ba formic acid, haedrojene, le CO tse bokelletsoeng ke HPLC. Ho lokela ho hlokomeloa hore boholo ba formic acid bo bokelletsoe ho tsoa ho anode ho sebelisoa setaele se bontšitsoeng ho Sets'oants'o sa Tlatsetso S5. Palo ea formate e bokelletsoeng ho tsoa kamoreng ea cathode ha e na thuso, e ka ba ka tlase ho lihlopha tse peli tsa boholo, 'me e ka tlase ho 0.5% ea kakaretso ea SC.
Mohlala oa lipalangoang tse tsoelang pele o sebelisitsoeng mona o thehiloe mosebetsing o fetileng litsamaisong tse tšoanang34. Sistimi e kopantsoeng ea li-equation tsa Poisson-Nerst-Planck (PNP) e sebelisoa ho fumana hore na metsi a na le bokae le matla a motlakase mekhahlelong ea ho tsamaisa lintho ka elektroniki le ionically. Kakaretso e qaqileng ea li-equation tse ka tlase le jiometri ea mohlala e fanoe ho SI.
Sistimi ena e fumana bongata ba dintho tse robedi tse metsi (\({{{{{\rm{C}}}}}}}{{{{{\rm{O}}}}}}}}_{2 \left ({{{{{\rm{aq}}}}}}}\right)}\), \({{{{{\rm{H}}}}}}}}}^{+ }\ ), \ ({{{{\rm{O}}}}}}{{{{{\rm{H}}}}}}^{-}\), \({{{ {{ \rm{HCO}}}}}}_{3}^{-}\), \({{{{{\rm{CO}}}}}}_{3}^{ 2-} \ ),\ ({{{{\rm{HCOOH}}}}}}\), \({{{{{\rm{HCOO}}}}}}}}}^{- }\) le \({{{ {{\rm{K}}}}}}}^{+}\)), bokgoni ba motlakase mohatong wa ho tsamaisa ionic (\({\phi }_{I}\ )) le ho tsamaisa dielektrone tsa anodic le cathodic. Bokgoni ba motlakase mekhahlelong (\({\phi }_{A}\) le \({\phi }_{C}\) ka ho latellana). Ho ena le hoo, mesebetsi ya ho se nke lehlakore ha motlakase wa lehae kapa ya kabo ya ditjhaja ha e etswe, sebaka sa tjhaja ya sebaka se rarollwa ka ho toba ho sebediswa equation ya Poisson; Mokgwa ona o re dumella ho etsa mohlala wa ditlamorao tsa ho kgutlisa Donnan ka kotloloho di-interface tsa CEM|AEM, CEM|Pore, le AEM|Pore. Ho phaella moo, kgopolo ya electrode e nang le masoba (PET) e sebediswa ho hlalosa ho tsamaisa tjhaja dikarolong tsa anodic le cathodic tsa catalyst. Ho ya ka tsebo ya bangodi, mosebetsi ona o emela tshebediso ya pele ya PET ditsamaisong tse nang le dibaka tse ngata tsa ho tjhaja sebaka.
Disampole tsa cathode tsa GDE BOT le EOT di ile tsa lekoa ho sebediswa Zeiss Xradia 800 Ultra e nang le mohlodi wa X-ray wa 8.0 keV, mekgwa ya ho monya le ya ho kopanya dinaha tse pharaletseng, le ho kopanya ditshwantsho1. Ditshwantsho tse 901 di ile tsa bokellwa ho tloha ho -90° ho isa ho 90° ka nako ya ho pepesehela ya metsotswana e 50. Kaho botjha e entswe ho sebediswa sefe sa ho shebisisa ka morao se nang le boholo ba voxel ba 64 nm. Tlhahlobo ya karohano le kabo ya boholo ba dikarolwana e entswe ho sebediswa khoutu e ngotsweng ka ho kgetheha.
Tlhaloso ea lielektrone tse nyenyane ka ho fetisisa e kenyelletsa ho kenya li-MEA tsa liteko ka har'a resin ea epoxy ho lokisetsa ho aroloa ha tsona ka mokhoa o mosesaane haholo ka thipa ea daemane. Karolo e tšekaletseng ea MEA ka 'ngoe e ile ea sehoa ho fihlela e le botenya ba 50 ho isa ho 75 nm. Microscope ea lielektrone tse fetisetsoang ea Talos F200X (Thermo Fisher Scientific) e sebelisitsoe bakeng sa ho hlahloba microscopy ea lielektrone tse fetisetsoang (STEM) le litekanyo tsa X-ray tse hasanyang matla (EDS). Microscope e na le sistimi ea EDS Super-X e nang le li-detector tse 4 tsa SDD tse se nang lifensetere 'me e sebetsa ka 200 kV.
Mehlala ea diffraction ea X-ray ea phofo (PXRD) e fumanoe ho Bruker Advance D8 powder X-ray diffractometer e nang le mahlaseli a Ni-filtered Cu Kα a sebetsang ho 40 kV le 40 mA. Sebaka sa ho skena se tloha ho 10° ho isa ho 60°, boholo ba mohato ke 0.005°, 'me lebelo la ho fumana data ke motsotsoana o le mong ka mohato.
Sekhahla sa RAS se pheletsong ea khasete ea Bi2O3 Bi L3 se lekantsoe e le ts'ebetso ea bokhoni ho sebelisoa sele e entsoeng hae. Enke ea ionomer ea Bi2O3 e entsoeng ka khasete e ile ea lokisoa ho sebelisoa 26.1 mg ea Bi2O3 e kopantsoeng le tharollo ea ionomer ea 156.3 μL (6.68%) 'me ea felisoa ka 1 M KOH, metsi (157 μL) le isopropyl alcohol (104 μL) ho fumana enke ea ionomer. Coefficient ea khasete ke 0.4. Enke e ile ea sebelisoa maqepheng a graphene libakeng tse khutšoane (10×4 mm) ho fihlela mojaro oa khasete ea Bi2O3 o fihla ho 0.5 mg/cm2. Karolo e setseng ea leqephe la graphene e koahetsoe ka Kapton ho arola libaka tsena ho tsoa ho electrolyte. Leqephe la graphene le koahetsoeng ka khasete le ile la kenngoa pakeng tsa li-PTFE tse peli 'me la tiisoa 'meleng oa sele (PEEK) ka likurufu, Setšoantšo sa S8. Hg/HgO (1 M NaOH) e ile ea sebelisoa e le electrode ea litšupiso, 'me pampiri ea carbon e ile ea sebelisoa e le electrode ea khase. Elektrode ea referense ea Hg/HgO e ile ea lekanngoa ka ho sebelisa terata ea platinum e qoelitsoeng ka har'a hydrogen-saturated 0.1 M KOH ho fetolela matla ohle a lekantsoeng ho ea sekala sa hydrogen electrode e ka fetoloang (RHE). Li-spectra tsa XRD li fumanoe ka ho beha leihlo matla a electrode e sebetsang ea Bi2O3/graphene sheet working electrode e qoelitsoeng ka har'a 0.1 M KOH, e futhumatsoang ho fihlela ho 30 °C. Elektrode e potoloha ka har'a betri, ka electrolyte inlet e ka tlase ho sele le outlet e ka holimo ho netefatsa hore electrolyte e ikopanya le lera la catalyst ha lipululana li thehoa. CH Instruments 760e potentiostat e ile ea sebelisoa ho laola matla a electrode e sebetsang. Tatellano ea matla e ne e le matla a potoloho e bulehileng: -100, -200, -300, -400, -500, -800, -850, -900, -1000, -1100, -1500 le +700 mV ho latela RHE. Matla ohle a iR a fetotsoe.
Sesepa sa Bi L3 edge (~13424 eV bakeng sa Bi metal) sa X-ray absorption fine structure (XAFS) se entswe ho kanale ya 10-ID, Advanced Photon Source (APS), Argonne National Fluorescence Laboratory. Laboratori ya Naha ya Tekanyo ya Mohlala. Monochromator ya Si(111) e nang le kristale tse pedi e phodisitsweng ka naetrojene e metsi e sebedisitswe ho lokisa matla a X-ray, mme seipone se manehilweng ka rhodium se sebedisitswe ho fokotsa dikahare tsa harmonic. Matla a scan a ne a fapana ho tloha ho 13200 ho isa ho 14400 eV, mme fluorescence e ne e lekanngwa ho sebediswa array ya diode ya 5 × 5 ya silicon PIN ntle le difilthara kapa di-slits tsa Soller. Matla a ho tshela a lefela a derivative ya bobedi a lekanngwa ho 13271.90 eV ka bohale ba L2 ba foil ya Pt. Ka lebaka la botenya ba sele ya electrochemical, ho ne ho sa kgonehe ho lekanya sepekthara sa tekanyetso ya referense ka nako e le nngwe. Kahoo, phetoho e baloang ea scan-to-scan ho ea ho scan ho matla a X-ray a incident ke ±0.015 eV ho latela litekanyo tse pheta-phetoang nakong eohle ea teko. Botenya ba lera la Bi2O3 bo lebisa tekanyong e itseng ea ho imolla khanya ka boyona; li-electrode li boloka tataiso e tsitsitseng mabapi le mahlaseli a incident le detector, e leng se etsang hore li-scans tsohle li tšoane. Sekhahla sa XAFS se haufi le tšimo se sebelisitsoe ho fumana boemo ba oxidation le mofuta oa lik'hemik'hale oa bismuth ka ho bapisa le sebaka sa XANES sa maemo a Bi le Bi2O3 ho sebelisoa algorithm ea linear combination fitting ea software ea Athena (mofuta oa 0.9.26). ka khoutu ea IFEFFIT 44.
Lintlha tse tšehetsang lipalo tse sehloohong sena le liqeto tse ling tsa thuto ena li fumaneha ho mongoli ea tsamaellanang le tsona ha ho hlokahala.
Crandall BS, Brix T., Weber RS ​​le Jiao F. Tlhahlobo ea theknoloji le moruo oa liketane tsa phepelo ea mecha ea litaba e tala H2. Mafura a Matla 37, 1441–1450 (2023).
Younas M, Rezakazemi M, Arbab MS, Shah J le Rehman V. Polokelo le kabo ya haeterojene e tala: ho ntshuwa ha haeterojene ya formic acid ho sebediswa di-catalyst tse sebetsang haholo tse tshwanang le tse sa tshwaneng. botjhaba. J. Gidrog. Energy 47, 11694–11724 (2022).
Nie, R. et al. Tsoelo-pele ea morao tjena phetisong ea catalytic hydrogenation ea formic acid holim'a li-catalyst tsa tšepe tse feto-fetohang tse sa tšoaneng. Khataloganyo ea AKS. 11, 1071–1095 (2021).
Rahimi, A., Ulbrich, A., Kuhn, JJ, le Stahl, SS Ho tlosoa ha li-lignin tse nang le oxidized ho ea ho metsoako e nkhang hamonate ho bakoang ke formic acid. Nature 515, 249–252 (2014).
Schuler E. et al. Asiti e formic e sebetsa e le mokena-lipakeng oa bohlokoa bakeng sa ts'ebeliso ea CO2. botala. Lik'hemik'hale. 24, 8227–8258 (2022).
Zhou, H. et al. Karohano e potlakileng e sa senyeheng (≤15 min) ea biomass e sebelisang flow-through formic acid bakeng sa ntlafatso e akaretsang ea lik'habohaedreite le lignin. Chemistry and Chemistry 12, 1213–1221 (2019).
Calvi, CH et al. Kgolo e ntlafetseng ya Cupriavidus necator H16 hodima sebopeho se sebedisang boenjiniere ba tlhahisoleseding ya ho iphetola ha dintho laboratoring e fetofetohang. Metabolites. engineer. 75, 78–90 (2023).
Ishai, O. le Lindner, SN Gonzalez de la Cruz, J., Tenenboim, H. le Bar-Even, A. Bioeconomics ea liforomo. hona joale. Maikutlo. Baeloji ea lik'hemik'hale. 35, 1–9 (2016).