Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Productie van elektrochemische groene brandstof op zonne-energie uit CO2 en water met behulp van Ti3C2T x MXene-ondersteunde CuZn- en NiCo-katalysatoren

2.1K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/68870

⸱

7 november 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute for Materials Discovery, University College London, 2School of Materials Engineering, Purdue University, 3School of Mechanical Engineering, Purdue University

In dit artikel

Samenvatting

Dit protocol vormt de leidraad voor de fabricage en elektrochemische analyse van MXene-ondersteunde CuZn- en NiCo-bimetaalelektrokatalysatoren voor de productie van groene brandstof uit kooldioxide en water met behulp van zonne-energie.

Samenvatting

Dit protocol beschrijft de synthese en het in kaart brengen van de activiteit van bimetalen, MXene-ondersteunde kathoden voor kooldioxidereductie (CO2R) en anodes voor watersplitsing met behulp van zonne-energie in alkalische media. Een elektrodepositietechniek met omgekeerde stroompuls werd gebruikt om de nanostructuur, korrelverfijning en legeringssamenstelling van de gefabriceerde elektroden te controleren. Zowel anoden als kathoden zijn vrij van edelmetalen en worden ondersteund door tweedimensionaal (2D) titaniumcarbide (Ti3C2Tx) MXene, dat de contactweerstand vermindert en de ladingsoverdracht van substraat naar reactanten via katalysatoren vergemakkelijkt. Koperzink (CuZn) ondersteund op Ti3C2Tx MXene wordt gebruikt als kathode voor de productie van methanol bij thermokatalytische CO2 -conversie, en hier hebben we voor het eerst hun prestaties op het gebied van elektrochemische CO2 -reductie (CO2R) aangetoond. Nikkelkobalt (NiCo) ondersteund op Ti3C2Tx MXene wordt op dezelfde manier vervaardigd via pulselektrodepositie en getest als anoden voor waterelektrolyse aangedreven door een zonnecel onder vereenvoudigde laboratoriumomstandigheden. De activiteit beschrijft ook de structurele karakterisering van metallische dunne films. Gedetailleerde opstelling voor de integratie van de state-of-the-art perovskiet-silicium tandemzonnecel met elektrochemische cel, die op zijn beurt in-line gaschromatografie voedt, wordt gedemonstreerd voor zowel CO2R als waterelektrolyse (WE). Een opstelling met details over de waterelektrolyse onder commerciële omstandigheden van zeer bijtende alkalische oplossingen (30% KOH), hoge temperaturen (60 °C) en in een zero-gap-cel wordt gedemonstreerd op de gefabriceerde anode in combinatie met een Pt/C gespoten kathode.

Inleiding

Het vervangen van fossiele brandstoffen door emissievrije alternatieven is van cruciaal belang om de energiesector koolstofvrij te maken en het gebruik van hernieuwbare energie te vergroten 1,2,3. De omzetting van kooldioxide (CO2 ) in koolmonoxide (CO), methaan (CH4) en andere koolstofhoudende brandstoffen wordt een belangrijke route om verdere CO2 -emissies te voorkomen en een circulaire koolstofeconomie te creëren4. Evenzo zal de vervanging van fossiele brandstoffen door waterstof met een hoge energiedichtheid naar verwachting de energietransitie van fossiele naar emissievrije brandstoffen versnellen 5,6,7,8. Het energieopwekkingssysteem kan verder kosteneffectief en milieuvriendelijk worden gemaakt door gebruik te maken van direct zonlicht 9,10,11,12. De groene energietransitie kan positieve sociaal-economische resultaten opleveren, met name door de sociale effecten te vergroten en zo het sociale kapitaal in verband met de opwekking van emissievrije brandstoffente vergroten 13.

Er is uitgebreid onderzoek gedaan naar elektrochemische reductie van CO2 op zonne-energie en waterstofopwekking14,15. Materialen op basis van koper hebben een uitstekende activiteit laten zien (>70% faradaïsche efficiëntie ten opzichte van het C2-product) in de richting van CO2-reductie 16,17,18,19. Bimetaalsystemen bestaande uit koper leiden tot een toename van de Faradaïsche efficiëntie (FE) en de algehele conversieratio van kooldioxide. De belangrijkste uitdagingen zijn hoge overpotentialen, lagere faradaïsche efficiënties en selectiviteit van een enkel product20. Het integreren van fotovoltaïsche (PV) systemen met elektrochemische reacties vereist een overlapping tussen de faradaïsche activiteit van de elektrokatalysator en het maximale vermogen van de zonnecel om duurzame brandstofproductiesnelheden te bereiken21,22. Ni- en Co-bimetaalsystemen zijn uitgebreid gerapporteerd als hoogfunctionele anoden voor elektrolyse met alkalisch water vanwege hun overpotentiaal van <600 mV bij stromen >100 mA/cm, 2 23,24. Snelle degradatie van de katalysator bij industrieel relevante stromen beperkt hun levensvatbaarheid als commerciële anodes. De door elektrolyten geïnduceerde kortsluiting door corrosie van het grensvlak tussen de metaallaag en het substraat maakt de waterelektrolyse verder traag25,26.

MXen, een groeiende familie van tweedimensionale (2D) overgangsmetaalcarbiden, nitriden en carbonitrides, zijn naar voren gekomen als veelbelovende materialen voor elektrochemische CO2R-reactie vanwege hun unieke structurele en elektronische eigenschappen27,28. MXen, voor het eerst ontdekt in 2011, zijn meestal afgeleid van bulkgelaagde M n+1AXn-fasen (waarbij n = 1-4) die bestaan uit n+1-lagen van een of meer overgangsmetalen (M, meestal uit de groepen 4-6), afgewisseld met X-lagen, koolstof (C), stikstof (N) of beide (CN), en een A-groepselement (meestal uit de groepen 13-16). Hun samenstellingen kunnen worden afgestemd met behulp van verschillende overgangsmetalen van de groepen 4 tot 6, X-subrooster (C/N) en Tx vertegenwoordigt oppervlakte-beëindigingen (bijv. -O, -OH, -F, -Cl)27,29,30. In CO2R worden MXenen actief onderzocht als co-katalysatoren of dragers vanwege hun afstembare oppervlaktechemie, katalytisch actieve plaatsen, hoog specifiek oppervlak en metaalachtige elektrische geleidbaarheid.

Recente theoretische studies voorspellen dat het decoreren van MXenes met bimetalen of enkele atomen de CO2R-prestaties aanzienlijk kan verbeteren door hun elektronische structuur te moduleren. Deze ontwerpstrategieën verschuiven het centrum van de d-band, moduleren de intermediaire adsorptie-energieën en verlagen de Gibbs-vrije energiebarrières van snelheidsbepalende stappen 31,32,33. Van Mo2ZC2 MXenes (Z = Ti, V, enz.) is bijvoorbeeld aangetoond dat ze de -HOCH2O-adsorptie versterken en de -OCH2O-binding in elektrochemische CO2RR verzwakken, waardoor het beperkende potentieel voor CH4-productie wordt verminderd als gevolg van een opschakeling in het d-bandcentrum van Mo-atomen. In een andere studie bereikte Cu-gedoteerd Ti3C2Tx MXene een Faradaïsche efficiëntie van 58,1% in de richting van HCOO-productie door gepolariseerde plaatsen te introduceren die intermediaire adsorptie en elektronenoverdracht vergemakkelijken. Deze paar theoretische studies geven richting aan het potentieel van het verkennen van op MXene gebaseerde bimetaalkatalysatoren bij het afstemmen van CO2RR-routes.

Hier hebben we CuZn@Ti3C2Tx MXene kathodes en NiCo@Ti3C2Tx MXene anodes gesynthetiseerd voor CO2R en waterelektrolyse door middel van eenvoudige elektrodepositie in één pot. De geoptimaliseerde procedure kan worden gebruikt om een reeks bimetalen of polymetallische systemen in concentratiebereiken van elk 5 tot 100 mM met pH-regeling te deponeren. Elke set van gewenste systemen zou vereisen dat de pH en stroomdichtheid worden afgestemd op hun elektrochemische potentialen, depositiepotentiaal, reactieomstandigheden, enz. Hoewel de afzetting kan worden uitgevoerd op een opstelling met twee elektroden, wordt geadviseerd de afzettingsspanning beter te controleren door middel van referentie-elektroden. De methode kan zowel grote structuren als fijne deeltjes afzetten door reactieparameters zoals stroomdichtheid, AAN-UIT-tijdverhouding en pH te regelen. De verfijnde en geoptimaliseerde korrelstructuur, afgestemd door tegenstroompulsen, vertoont een hoge Faradaïsche efficiëntie (56% voor koolwaterstoffen) voor CO2R met een zeer lage katalysatordegradatie. Waterelektrolyse wordt gedemonstreerd op NiCo@Ti3C2Tx MXene in een H-cel voor laboratoriumomstandigheden met 98% FE en in een zero-gap cel voor industriële omstandigheden. Er wordt ook een demonstratie gegeven van in-line productbepaling door middel van gaschromatografie. De algehele systeemintegratie en de werking ervan zijn nauwlettend gevolgd met behulp van de safe-by-design-protocollen die zijn opgesteld in ons lab34.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

De reagentia en de apparatuur die in dit onderzoek zijn gebruikt, staan vermeld in de materiaaltabel.

1. Synthese van Ti3C2Tx MXene

  1. Was 1 g geoptimaliseerde Ti3AlC2 MAX-fase met 9 M zoutzuur (HCl) gedurende 18 uur om intermetallische onzuiverheden te verwijderen.
  2. Bereid de etsoplossing voor door 12 M HCl, gedeïoniseerd (DI) water en 50 gew.% fluorwaterstofzuur (HF) te mengen in een volumeverhouding van 6:3:1.
    OPMERKING: Fluorwaterstofzuur (HF) is zeer giftig en bijtend. Voer alle stappen met HF uit in een gecertificeerde zuurkast terwijl u de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) draagt, inclusief handschoenen, laboratoriumjas en gelaatsscherm.
  3. Voeg het HCl-gewassen MAX-poeder toe aan de etsoplossing en roer gedurende 24 uur bij 35 °C bij 400 tpm omwenteling.
  4. Was de geëtste Ti3C2Tx MXene met DI-water door herhaalde centrifugatie op 3234 x g gedurende 4-5 cycli (elk ~200 ml), elke cyclus van 10 minuten, totdat het bovenstaande een neutrale pH van ongeveer 6 bereikt.
  5. Delamineer de MXene door het gewassen bezinksel toe te voegen aan een lithiumchloride (LiCl) oplossing (50 ml per gram geëtst poeder) en roer gedurende 1 uur bij 400 tpm bij 65 °C onder argongasstroom.
  6. Was het mengsel door centrifugeren op 3234 x g gedurende 5 min, 10 min, 15 min en 20 min achtereenvolgens op kamertemperatuur.
  7. Vortex mengt de eindsuspensie gedurende 30 minuten bij kamertemperatuur en centrifugeert vervolgens gedurende 30 minuten bij 2380 x g om enkellaagse Ti3C2Tx MXene-vlokken te verkrijgen.

2. Bereiding van precursoren

  1. Dispergeer 300 mg Ti3C2Tx MXene in 100 ml gedemineraliseerd water. Sonificeer gedurende 5 minuten om een stabiele dispersie te garanderen.
  2. Bereid een kopercitraatoplossing van 30 mM en een zinkoxalaatoplossing van 10 mM in gedemineraliseerd water. Zorg ervoor dat u alle oplossingen in een kap met de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen maakt, vermijd morsen of direct contact met de huid.
  3. Bereid 50 mM oplossingen van nikkelnitraat en kobaltnitraat in gedemineraliseerd water.
  4. Bereid een dispersie van 5 mg Pt/C voor in 50 ml gedemineraliseerd water en soniceer gedurende 10 minuten bij kamertemperatuur.

3. Fabricage van elektroden

  1. Reinig het nikkelschuim met aceton en soniceer vervolgens 5 minuten in gedemineraliseerd water.
  2. Activeer het koolstofvezelpapier (CFP) door het 20 minuten te weken in 1 M salpeterzuur (HNO3). Activeer het GVB in een kap en gebruik handschoenen en de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen.
  3. Dompel het gereinigde nikkelschuim (5 cm × 5 cm) 5 minuten onder in MXene-oplossing. Drogen bij kamertemperatuur onder vacuüm. Label dit monster als MXene-Ni-Foam.
  4. Spuit MXene-oplossing op geactiveerd CFP. Label het monster als MXene-CFP. Laad 50 ml Mxene-oplossing in een spuitpistool. Spuit op een afstand van 5 cm de inkt op het geactiveerde GVB en bedek het hele oppervlak van het GVB van 2 cm x 2 cm.
  5. Voeg in een elektrochemische cel van glas de Cu- en Zn-precursoroplossingen toe. Gebruik een Ag/AgCl-referentie-elektrode, een platina tegenelektrode en MXene-CFP als werkelektrode en sluit de elektroden aan op hun respectievelijke aansluiting op de potentiostaat.
    NOTITIE: De MXene-CFP-elektrode wordt bijvoorbeeld aangesloten op de werkende elektrodeaansluiting, en dergelijke. Het elektrolytbad bestond uit 50 ml 30 mM Cu-citraatoplossing en 10 mM Zn-oxalaat in gedemineraliseerd water.
  6. Pas de volgende gepulseerde stroomafzettingsvolgorde toe: -10 mA/cm2 gedurende 1 s, 0 mA/cm2 (nulpuls) gedurende 0,5 s, +10 mA/cm² gedurende 0,5 s.
  7. Herhaal dit gedurende 1000 cycli om CuZn te deponeren. Label de resulterende elektrode als CuZn@Ti3C2T x-MXene-CFP.
  8. Voeg in een andere cel Ni- en Co-precursoroplossingen toe. Gebruik dezelfde elektrodeconfiguratie, maar vervang de werkende elektrode door MXene-Ni-Foam. Zorg ervoor dat de elektroden in de elektrochemische cel goed zijn aangesloten op de respectievelijke aansluitingen op de potentiostaat. Het elektrolytisch bad bestaat uit 50 ml 50 mM Ni nitraat en Co nitraat in DI water.
  9. Pas dezelfde gepulseerde depositiecyclus toe (zoals in stap 3.6) voor 1000 sets om NiCo@Ti3C2T x-MXene-Ni-Foam te verkrijgen.
  10. Vul 50 ml Pt/C in het spuitpistool. Spuit vanaf een afstand van 5 cm Pt/C op Ni-gaas en droog in een vacuümoven bij 60 °C om de referentiekathode voor waterelektrolyse voor te bereiden.

4. Structurele karakterisering

  1. Snijd elke elektrode in stukken van 0,5 cm × 1 cm.
  2. Voer röntgendiffractie (XRD) en scanning-elektronenmicroscopie (SEM) uit voor fase- en morfologieanalyse.
    OPMERKING: De grootte van de elektrodestukken moet vergelijkbaar zijn met wat past bij de richtlijnen voor de voorbereiding van XRD- en SEM-instrumentmonsters.

5. Elektrochemische CO2 -reductie

  1. Stel een H-cel samen met een alkalisch uitwisselingsmembraan dat de twee kamers scheidt.
  2. Gebruik Ni-Foam als anode en CuZn@Ti3C2T x-MXene-CFP (2 cm × 2 cm) als kathode. Gebruik 1 M KOH als elektrolyt in beide kamers. Controleer grondig op eventuele elektrolytlekken bij de membraanovergang. Draai de verbinding vast voor eventuele lekken.
    OPMERKING: KOH is zeer corrosief; draag de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen, doe alle oplossingen in een zuurkast en vermijd contact met de huid. Houd alle oplossingen op vlakke oppervlakken uit de buurt van persoonlijke indringers en elektrische stekkers.
  3. Plaats een Hg/HgO-referentie-elektrode in het kathodecompartiment. Sluit het systeem gasdicht af. Voeg een slang toe voor de CO2 -inlaat en een voor de gasuitlaat in de kathodische kamer.
  4. Spoel CO2 gedurende 15 minuten met 30 ml/min in de kathodische kamer om het elektrolyt te verzadigen.
  5. Verlicht de fotovoltaïsche (PV) cel met een intensiteit van 1 zon en verbind deze met de cel (positief op anode, negatief op kathode).
  6. Registreer cyclische voltammetrie (CV) van 0 V tot -2,5 V bij 50 mV/s en EIS (100 kHz tot 0,1 Hz) bij open circuitpotentiaal.
  7. Voer gedurende 2 uur een chrono potentiometrische meting van 0 A uit en registreer de stroom periodiek met behulp van een multimeter. De geregistreerde stroom kan worden gebruikt om de faradaïsche efficiëntie van producten te berekenen.
  8. Sluit de kathodische kameruitlaat aan op een gaschromatograaf (GC) voor in-line bemonstering om de 10 minuten. Programmeer de GC voor de detectie en kwantificering van permanente gassen. Gebruik een verpakte kolom, zoals de moleculaire zeef, om de gassen te identificeren.
    NOTITIE: De temperatuur van de oven wordt ingesteld op helling met een begintemperatuur van 150 °C met een wachttijd van 2 minuten en verder opgelopen tot 200 °C met een wachttijd van 1 minuut om een goede scheiding en elutie van de gassen van het mengsel mogelijk te maken.

6. Elektrochemische waterelektrolyse (OER)

  1. Herhaal de H-cel opstelling met NiCo@Ti3C2T x-MXene-Ni-Foam als anode en Pt/C@Ni mesh als kathode. Plaats een Hg/HgO-elektrode als referentie-elektrode in de anodische kamer met de werkende elektrode.
  2. Vul beide kamers met 1 M KOH elektrolyt.
  3. Registreer CV van 0 V tot 1,2 V bij 50 mV/s en EIS (10 kHz tot 0,1 Hz, 10 mV amplitude) bij open circuitpotentiaal. Gebruik op de autolab-potentiostat de OCP-bepalingsfunctie (open circuit potential) om OCP op te nemen.
  4. Verlicht de PV-cel met 1-zonnelicht met behulp van een zonnesimulator die op 6 cm afstand is geplaatst, of met een lichtsterkte van 1 zon op de cel.
  5. Sluit PV-klemmen aan op elektroden en registreer een chrono potentiometrische curve van 0 A. Bewaak en registreer stroom voor efficiëntieberekeningen.
  6. Sluit de kathode-uitgang aan op GC en analyseer de waterstofproductie elke 10 minuten met behulp van een thermische geleidbaarheidsdetector (TCD) met stikstof als draaggas.

7. Elektrolyzer met nulopening

  1. Was met water en bereid een zero-gap cel voor. Bereid schone polyvinylpropyleenslangen en andere accessoires voor, zoals duw- en trekwaarden die op de slang passen om verbindingen te maken tussen verschillende delen van de alkalische waterelektrolyse-eenheid.
  2. Stapel het volgende in volgorde: Celanodeplaat, NiCo@Ti3C2T x-MXene-Ni-Foam-anode, pakking (gelijk of iets dikker (0,1 mm) dan de dikte van de anode), alkalisch uitwisselingsmembraan, pakking, Pt/C-kathode en tenslotte kathodecelplaat. Gebruik positioneringsstaven voor uitlijning, indien beschikbaar, of zorg ervoor dat de lagen stevig en stationair op een tafel blijven liggen.
  3. Monteer de elektrolyzer met de juiste uitlijning van alle lagen en eindplaten. Zet stevig vast met schroeven.
  4. Sluit de cel aan op peristaltische pompen die 30% KOH circuleren bij 30 ml/min. Het debiet van elektrolyten kan worden aangepast en afhankelijk van de gasevolutie en temperatuur kunnen de elektrolyten worden verhoogd voor een betere gasverwijdering en activiteit.
  5. Houd het elektrolytenreservoir op 60 °C met behulp van een oliebad en monitor met een temperatuursonde. Zorg ervoor dat u de cel of het reservoir niet aanraakt zonder thermische handschoenen.
    LET OP: 30% KOH is zeer bijtend en kan brandwonden veroorzaken. Voer alle experimenten uit met behulp van de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen. Bewaar extra elektrolyten in een zuurkast en bewaar het elektrolytenreservoir op een vlakke ondergrond die goed wordt ondersteund en uitgebalanceerd om morsen te voorkomen.

8. Berekening van de Faradaic-efficiëntie

  1. Gebruik de volgende vergelijking:
    figure-protocol-1
    Waarbij Qprod de lading is die wordt gebruikt om het product te vormen (bijv. waterstof of CO2R-product), en Qtotaal de totale doorgegeven lading is.
    NOTITIE: Gooi al het HF- en HCl-bevattende afval weg volgens de institutionele protocollen voor gevaarlijk afval. Raadpleeg Material Safety Data Sheets (MSDS) en personeel op het gebied van milieugezondheid en -veiligheid (EHS) voor richtlijnen voor verwijdering.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De röntgendiffractietechniek wordt gebruikt om de vaste kristalstructuur van de metaalfilms te analyseren. Snijd filmmonsters van de juiste grootte (past op de monsterstomp van de XRD-machine). Laad de monsters in de machine en scan een bereik van 2Θ van 10° tot 80°. De verkregen XRD-grafiek toont pieksignalen voor de kristalvlakken die in het materiaal aanwezig zijn. Gebruik het referentiepatroon van het International Centre for Diffraction Data (ICDD) o...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Deze studie presenteert het protocol voor de synthese van bimetaalelektroden voor door zonne-energie aangedreven redoxreacties voor het genereren van brandstof. Het koolstofvrij maken van de energiesector is sterk afhankelijk van de omzetting van CO2 -uitstoot0 35,36,37 en het gebruik van emissievrije brandstoffen zoals waterstof opgewekt uit water 38,39

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

De auteurs willen de steun erkennen van het Henry Royce Institute for Advanced Materials via het Industrial Collaboration Programme (RICP-R4-100061) en MATcelerateZero (MATZ0), gefinancierd met een subsidie van de Engineering and Physical Sciences Research Council EP/X527257/1. De auteurs erkennen het Department for Energy Security and Net Zero (Project ID: NEXTCCUS), University College London's Research, Innovation and Global Engagement, University of Sydney - University College London Partnership Collaboration Awards, UCL-Peking University Strategic Partner Funds, Cornell-UCL Global Strategic Collaboration Awards en IISc-UCL Joint seed fund voor hun financiële steun. De auteurs erkennen het ACT-programma (Accelerating CCS Technologies, Horizon 2020 Project No. 691712) voor de financiële steun van het NEXTCCUS-project (project-ID: 327327). Dit werk werd ondersteund door het Henry Royce Institute for Advanced Materials via het Equipment Access Scheme, dat toegang bood tot de Royce SEM-FIB Suite in Cambridge; Cambridge Royce faciliteiten subsidie EP/P024947/1 en Sir Henry Royce Institute - terugkerende subsidie EP/R00661X/1.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Autolab 302Metrohm UKPGSTAT302NHet beoordeelt de elektrochemische activiteit van het systeem (CO2R en WE)
Cobaltnitrat hexahydraatSigma aldrich 98 10026-22-9precursor voor waterelektrolyse-anode
Kopernitrat trihydraatSigma aldrich10031-43-3.precursor voor CO2R kathode
LichtbronSOION techxenonatlampLichtbron om de zonnecellen te verlichten
Nikkelnitrat hexahydraatSigma aldrich13478-00-7precursor voor waterelektrolyse-anode
Online gaschromatografieAgilent8890aansluiten op de elektrochemische cel en schakelt een monster, ~10 microliter gas om de 10 minuten of tijd beschreven in de opdracht voor identificatie en kwantificering.
Peristaltiekpompen SOION techBT100-3Jom elektrolyt in nul-gap-cel te laten stromen.
KaliumhydroxideSigma aldrich1310-58-3Elektrolyt voor CO2R en waterelektrolyse.
Zonnecel (fotovoltaïsche cel)Brandstofcel winkelSilizium tandemcel die tot 4 volt potentieel en stromen van ~300mA kan leveren
Sustainion membraanDioxide materialenX37-50 Grade RTanionenuitwisselingsmembraan gebruikt voor iontransport van kathode naar anode en stopt gas en product crossovers.
Ti3C2Tx MXeneAnasori Lab, Purdue University
VionicMetrohm UK3500001080Het beoordeelt de elektrochemische activiteit van het systeem (CO2R en WE) bij hogere stromingen. Het heeft hogere stroom- en potentiaalvensters.
ZinkcitraatSigma aldrich480762precursor voor CO2R kathode

Referenties

  1. Brauns, J., Turek, T. Alkaline water electrolysis powered by renewable energy: A review. Processes. 8 (2), 248(2020).
  2. Dinh, C. T., Li, Y. C., Sargent, E. H. Boosting the single-pass conversion for renewable chemical electrosynthesis. Joule. 3 (1), 13-15 (2019).
  3. Züttel, A., et al. Storage of renewable energy by reduction of CO2 hydrogen. Chimia (Aarau). 69 (5), 264-268 (2015).
  4. Liu, S., et al. To convert or not to convert: a comparative techno-economic analysis on CO2-to-methanol and CO2-EOR. Appl Energy. 388, 125698(2025).
  5. Lemmon, J. P. Energy: Reimagine fuel cells. Nature. 525 (7570), 447-449 (2015).
  6. Klemeš, J. J., et al. Sustainable energy integration within the circular economy. Renew Sustain Energy Rev. 177, 113143(2023).
  7. Hydrogen Storage. , US Department of Energy. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage (2025).
  8. Mao, S. S., Shen, S. Hydrogen production: Catalysing artificial photosynthesis. Nat Photonics. 7 (12), 944-946 (2013).
  9. Lin, H., Luo, S., Zhang, H., Ye, J. Toward solar-driven carbon recycling. Joule. 6 (2), 294-314 (2022).
  10. Sacco, A., et al. An integrated device for the solar-driven electrochemical conversion of CO2 to CO. ACS Sustain Chem Eng. 8 (20), 7563-7568 (2020).
  11. Rahaman, M., et al. Solar-driven liquid multi-carbon fuel production using a standalone perovskite-BiVO4 leaf. Nat Energy. 8 (6), 629-638 (2023).
  12. Chen, X., et al. Promoting water dissociation for efficient solar driven CO2 via improving hydroxyl adsorption. Nat Commun. 14 (1), 1-12 (2023).
  13. Rashid, N., Yang, S., Abdi Jalebi, M. Socio-economic impact and regulatory measurements for next-generation electrochemical CO2 system. Nanoscale Adv. 2 (1), 1-9 (2025).
  14. Lamb, W. F., Rao, N. D. Human development in a climate-constrained world: what the past says about the future. Global Environ Change. 33, 14-22 (2015).
  15. Staffell, I., et al. The role of hydrogen and fuel cells in the global energy system. Energy Environ Sci. 12 (2), 463-491 (2019).
  16. Rashid, N., Bhat, M. A., Ingole, P. P. Unravelling the chemistry of catalyst surfaces and solvents towards C-C bond formation through activation and electrochemical conversion of CO2 hydrocarbons over micro-structured dendritic copper. Sustain Energy Fuels. 6 (1), 128-142 (2021).
  17. Rashid, N., Dar, F., Bhat, M., Ingole, P. Tailoring motif and channel terminating groups of conventional copper MOFs for their enhanced activity, selectivity, and stability toward the electroreduction of CO2 to hydrocarbons. ACS Appl Energy Mater. 6 (2), 1378-1388 (2023).
  18. Yang, F., et al. Highly efficient electroconversion of carbon dioxide into hydrocarbons by cathodized copper-organic frameworks. Chem Sci. 10 (35), 7975-7981 (2019).
  19. Weng, Z., et al. Active sites of copper-complex catalytic materials for electrochemical carbon dioxide reduction. Nat Commun. 9 (1), 1-9 (2018).
  20. Abdi-Jalebi, M. The Future of Halide Perovskite Solar Cells. Nanoscale and Advanced Materials. 2, 87-94 (2024).
  21. Karaiskakis, A. N., Golru, S. S., Biddinger, E. J. Effect of electrode geometry on selectivity and activity in CO2 electroreduction. Ind Eng Chem Res. 58 (47), 22506-22515 (2019).
  22. Astakhov, O., Cibaka, T., Wieprecht, L., Rau, U., Merdzhanova, T. Unfolding electrolyzer characteristics to reveal solar-to-chemical efficiency potential: Rapid analysis method bridging electrochemistry and photovoltaics. ChemSusChem. 18 (11), e202402027(2024).
  23. Angeles-Olvera, Z., et al. Nickel-based electrocatalysts for water electrolysis. Energies. 15 (5), 1609(2022).
  24. Irshad, A., Munichandraiah, N. Electrodeposited nickel-cobalt-sulfide catalyst for the hydrogen evolution reaction. ACS Appl Mater Interfaces. 9 (23), 19746-19755 (2017).
  25. Pašti, I. A., et al. Atomically thin metal films on foreign substrates: From lattice mismatch to electrocatalytic activity. ACS Catal. 9 (4), 3467-3481 (2019).
  26. Heikkinen, M., Ghiyasi, R., Karppinen, M. Layer-engineered functional multilayer thin-film structures and interfaces through atomic and molecular layer deposition. Adv Mater Interfaces. 12 (10), 2400262(2025).
  27. Lim, C., Handoko, A. D., Seh, Z. W. A realistic take on MXenes for electrochemical reduction of carbon dioxide. Diam Relat Mater. 130, 109461(2022).
  28. Meng, L., Tayyebi, E., Exner, K. S., Viñes, F., Illas, F. MXenes as electrocatalysts for the CO2 reaction: recent advances and future challenges. ChemElectroChem. 11 (8), e202300598(2024).
  29. Handoko, A. D., et al. Two-dimensional titanium and molybdenum carbide MXenes as electrocatalysts for CO2 reduction. iScience. 23 (9), 101181(2020).
  30. Li, N., et al. Understanding of electrochemical mechanisms for CO2 and conversion into hydrocarbon fuels in transition-metal carbides (MXenes). ACS Nano. 11 (11), 10825-10833 (2017).
  31. Govindan, B., et al. Synergistic bimetallic sites in 2D-on-2D heterostructures for enhanced C-N coupling in sustainable urea synthesis. ACS Sustain Chem Eng. 12 (12), 8174-8187 (2024).
  32. Wang, R., et al. Element-doped MXenes: Mechanism, synthesis, and applications. Small. 18 (25), 2201740(2022).
  33. Cao, S., et al. MXene-based single atom catalysts for efficient CO2RR towards CO: A novel strategy for high-throughput catalyst design and screening. Chem Eng J. 461, 141936(2023).
  34. Kumar Sharma, P., Rashid, N., Abdi Jalebi, M. Safe-by-design approach for next-generation electrochemical CO2 prototype with risk assessment and safety considerations. Nanoscale Adv. 2 (1), 74-83 (2025).
  35. Fang, B., et al. Large-scale synthesis of TiO2 with hierarchical nanostructure for highly efficient photodriven reduction of CO2 to CH4. ACS Appl Mater Interfaces. 6 (17), 15488-15498 (2014).
  36. Somoza-Tornos, A., Guerra, O. J., Crow, A. M., Smith, W. A., Hodge, B. M. Process modeling, techno-economic assessment, and life cycle assessment of the electrochemical reduction of CO2: A review. iScience. 24 (7), 102813(2021).
  37. Wyndorps, J., Ostovari, H., von der Assen, N. Is electrochemical CO2 the future technology for power-to-chemicals? An environmental comparison with H2-based pathways. Sustain Energy Fuels. 5 (22), 5748-5761 (2021).
  38. Zlatar, M., et al. Standardizing OER electrocatalyst benchmarking in aqueous electrolytes: comprehensive guidelines for accelerated stress tests and backing electrodes. ACS Catal. 13 (23), 15375-15392 (2023).
  39. Marini, S., et al. Advanced alkaline water electrolysis. Electrochim Acta. 82, 384-391 (2012).
  40. Miao, M., Duan, H., Luo, J., Wang, X. Recent progress and prospect of electrodeposition-type catalysts in carbon dioxide reduction utilization. Mater Adv. 3 (18), 6968-6987 (2022).
  41. Zangari, G. Fundamentals of electrodeposition. Encyclopedia of Interfacial Chemistry: Surface Science and Electrochemistry. , 141-160 (2018).
  42. Guruprasad, N., van der Schaaf, J., de Groot, M. T. Unraveling the impact of reverse currents on electrode stability in anion exchange membrane water electrolysis. J Power Sources. 613, 234877(2024).
  43. Rashid, N., Ingole, P., Delhi, N. Electrochemical reduction of CO2 ionic liquid stabilized reverse pulse electrodeposited copper oxides. Bose, M., Modi, A. Proceedings of the 7th International Conference on Advances in Energy Research, , Springer Proceedings in Energy. 1551-1558 (2020).
  44. Rashid, N., Ingole, P. P. Pulse electrodeposition of copper octahedrons: Investigations into the CO2RR on these surfaces. Meet. Abstr. MA202802, 816(2018).
  45. Voncken, J. H. L., Verkroost, T. W. Powder diffraction of cubic α-brass. Powder Diffr. 12 (4), 228-229 (1997).
  46. Salehi, M., Saidi, A., Ahmadian, M., Raeissi, K. Characterization of nanocrystalline nickel-cobalt alloys synthesized by direct and pulse electrodeposition. Int J Mod Phys. 28 (6), 1450043(2014).
  47. Walsh, F. C., Herron, M. E. Electrocrystallization and electrochemical control of crystal growth: fundamental considerations and electrodeposition of metals. J Phys D Appl Phys. 24 (2), 217(1991).
  48. Shi, Y., et al. Atomic-level metal electrodeposition: synthetic strategies, applications, and catalytic mechanism in electrochemical energy conversion. Small Struct. 3 (3), 2100185(2022).
  49. Kaneco, S., et al. Electrochemical reduction of carbon dioxide to ethylene with high Faradaic efficiency at a Cu electrode in CsOH/methanol. Electrochim Acta. 44 (26), 4701-4706 (1999).
  50. Lv, W., Zhang, R., Gao, P., Lei, L. Studies on the Faradaic efficiency for electrochemical reduction of carbon dioxide to formate on tin electrode. J Power Sources. 253, 276-281 (2014).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

Productie van zonnebrandstoffenelektrochemische CO2-reductiewaterelektrolyseMXene-gedragen katalysatorenkoper-zinkkathodenikkel-kobaltanodegepulste elektrodepositiealkalische elektrolysegaschromatografiecyclische voltammetrie
Productie van elektrochemische groene brandstof op zonne-energie uit CO2 en water met behulp van Ti3C2T x MXene-ondersteunde CuZn- en NiCo-katalysatoren
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.