Anpassung der interfacialen Reaktionsumgebung für die CO2-Elektroreduktion zu CO in schwach sauren Medien

Ein erheblicher Kohlenstoffverlust bei der CO2-Elektroreduktion in neutralen und alkalischen Medien schränkt die industrielle Viabilität aufgrund der homogenen Reaktion von CO2 und OH– unter interfacialer Alkalinität erheblich ein. Um homogene Reaktionen zu mindern, führten wir die CO2-Elektroreduktion in schwach sauren Medien durch. Durch die Modulation der interfacialen Reaktionsumgebung über mehrere Elektrolyteffekte wird die parasitäre Wasserstoffentwicklungsreaktion unterdrückt, was zu einer Faradaischen Effizienz von über 80 % für CO an der planar Au-Elektrode führt. Mit der Technik der rotierenden Ring-Scheiben-Elektrode fungiert der Au-Ring als in situ CO-Sammler und pH-Sensor, der die Aufzeichnung der Faradaischen Effizienz und die Überwachung der interfacialen Reaktionsumgebung während der CO2-Reduktion auf der Au-Scheibe ermöglicht. Der dominierende Zweig der Wasserstoffentwicklungsreaktion wechselt von der Protonenreduktion zur Reduktion von Wasser, wenn sich die interfaciale Umgebung von sauer zu alkalisch ändert. Im Vergleich dazu beginnt die CO2-Reduktion im Bereich der Protonenreduktion, während sich die interfaciale Umgebung den nahezu neutralen Bedingungen nähert. Danach nimmt die Protonenreduktion ab, während die CO2-Reduktion erfolgt, da die Protonen zunehmend durch die aus der CO2-Reduktion elektrogenerierten OH– verbraucht werden. Die CO2-Reduktion erreicht ihre maximale Faradaische Effizienz kurz bevor die Wasserreduktion beginnt. Eine Verlangsamung des Massentransports senkt den Protonenreduktionsstrom, während die CO2-Reduktion kaum beeinflusst wird. Im Gegensatz dazu beschleunigen geeignete protische Anionen, z.B. HSO4– in unserem Fall, und schwach hydratisierte Kationen, z.B. K+, die CO2-Reduktion, wobei erstere einen zusätzlichen Protonenfluss aber einen höheren lokalen pH bereitstellen und letztere das *CO2–-Zwischenprodukt stabilisieren.