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Enregistrement W4285400078 · doi:10.1149/ma2022-01391787mtgabs

Determining the Influence of Catalyst Layer Architecture and Reactant Flow in an MEA for the Electrochemical Nitrogen Reduction Reaction Under Ambient Conditions

2022· article· en· W4285400078 sur OpenAlexaff
Wei Bi, Előd Gyenge, David P. Wilkinson, Nima Shaigan, Ali Malek, Khalid Fatih

Notice bibliographique

RevueECS Meeting Abstracts · 2022
Typearticle
Langueen
DomaineChemical Engineering
ThématiqueAmmonia Synthesis and Nitrogen Reduction
Établissements canadiensNational Research Council CanadaUniversity of British Columbia
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésCatalysisElectrosynthesisFaraday efficiencyCathodeAnodeChemical engineeringMaterials scienceElectrochemistryNoble metalChemistryNanotechnologyInorganic chemistryElectrodeOrganic chemistry

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Ammonia (NH 3 ) has been increasingly recognized as an advantageous energy/hydrogen carrier beyond agriculture use to assist in the achievement of net-zero and decarbonization goals. For over a century, NH 3 production has been dominated by the thermochemical Haber-Bosch process which consumes significant fossil fuel-related energy and feedstocks with a heavy carbon footprint. By contrast, the electrochemical nitrogen reduction reaction (ENRR) presents a sustainable and modular approach to fit remote and small-scale NH 3 needs, which has attracted growing interest in recent years. Rational design of electrocatalysts (e.g., introducing defects, size reduction, and heteroatom doping) has been the mainstream approach to address the bottlenecks in the ENRR, especially the low specific activity and poor faradaic efficiency. However, attempts to vary the ENRR electrolytic cell layout/design or the operating conditions have been scarce, and therefore present an opportunity to improve the NH 3 electrosynthesis performance by well-thought-out reactor designs coupled with operating conditions. Our study aims to understand the influence of catalyst layer/electrode architectures and reactant mass transfer on the ENRR performance of model catalysts in a membrane electrode assembly (MEA) cell under different flow configurations. On the anode side, a platinum-coated membrane is used to oxidize the humidified H 2 , which provides sufficient protons for the cathode reactions. On the cathode side, electrocatalysts with commercial availability and reported ENRR activities are applied as the catalyst (e.g., noble metal, transition metal nitrides or dichalcogenides). The catalyst layer is deposited on the gas-diffusion layer and/or the proton-exchange membrane to construct a gas-diffusion electrode (GDE) and/or a catalyst-coated membrane (CCM). Subsequently, the NH 3 electrosynthesis performances are evaluated under different cathode flow conditions for the varied catalyst layer architectures. Initially, the N 2 -saturated aqueous electrolyte (Na 2 SO 4 ) is recirculated on the cathode side to flood the cathode surface constantly, which resembles the operating condition in the liquid-filled H-cell present in previous ENRR studies. In these cases, the catalytic sites are predominantly covered by proton donors (e.g., hydronium ions or water molecules) without accessing N 2 molecules that only dissolve marginally (0.06 mmol/L) in aqueous media. Hence, in contrast with the “liquid-only” flow configuration, humidified N 2 gas is supplied alone (“gas-only”) or in combination with the recirculated electrolyte solution (“gas-liquid”) to increase the presence of N 2 near catalytic sites. When gaseous N 2 is present, the gas outlet pressure (cell back pressure), as well as membrane drying, were observed to affect the current density and operational stability. Additionally, false positives are diligently recognized which arise from residual N-containing species in the MEA and environmental NH 3 contamination. Linear scan voltammetry, the routine electrochemical characterization to distinguish potentially ENRR-active electrocatalysts, was found to be particularly susceptible and contribute significantly to erroneous ENRR performance. In short, This work demonstrates the challenge of getting authentic ammonia production in aqueous systems with improved electrolytic cell designs and operating conditions. References: Z. Andersen, V. Čolić, S. Yang, J. A. Schwalbe, A. C. Nielander, J. M. McEnaney, K. Enemark-Rasmussen, J. G. Baker, A. R. Singh, B. A. Rohr, M. J. Statt, S. J. Blair, S. Mezzavilla, J. Kibsgaard, P. C. K. Vesborg, M. Cargnello, S. F. Bent, T. F. Jaramillo, I. E. L. Stephens, J. K. Nørskov and I. Chorkendorff, Nature , 2019, 570 , 504–508. Wei, M. Pu, Y. Jin and M. Wessling, ACS Appl. Mater. Interfaces , 2021, 13 , 21411–21425. Figure captions: the top two figures illustrate the liquid- and gas-phase flow configurations in this study; and the bottom two figures demonstrate the negligible production of NH 3 from the gas-phase reaction condition where significant amounts of erroneous NH 3 production was observed from linear scan voltammetry (LSV). Figure 1

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction distillée sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,000
Version: codex-gemma-dda1882f352aStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Expérimental (laboratoire) · Signal consensuel: Expérimental (laboratoire)
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,160
Score d'incertitude au seuil0,370

Scores Codex et Gemma par catégorie

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0000,000
Intégrité de la recherche0,0000,000
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,014
Tête enseignante GPT0,244
Écart entre enseignants0,230 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeExpérimental (laboratoire)
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations1
Publié2022
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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