Pathways to Energy-efficient Chemical Upgrade via CO2 Electrolysis: Modulating the Microenvironment at Catalytic Sites
Notice bibliographique
Résumé
The use of electricity to convert carbon into chemicals and fuels offers the potential to reduce the carbon intensity of hard-to-decarbonize sectors such as aviation fuel and chemical manufacturing. The electrochemical reduction of carbon dioxide (CO2R) can produce ethylene or ethanol, but present-day technology demands high energy. Enhancements in single-pass conversion efficiency (SPCE), Faradaic efficiency (FE), and cell voltage (V) are necessary to reduce cost, streamline product separation, and minimize carbon footprint.In this thesis, I tackle these challenges, designing catalysts that improve reactant gas transport, prevent overoxidation, and maintain active sites. Using electron microscopy, gas adsorption-desorption, and electrochemical characterization, catalysts' atomic structure, properties, and behavior are studied. Using operando Raman and X-ray absorption spectroscopy, the microenvironment of the catalyst is investigated during CO2R operation. Firstly, ligand-capped copper catalysts were synthesized and deployed in acidic CO2R towards the goal of selective ethylene production. Traditional copper catalysts in acidic conditions face the competing hydrogen evolution reaction (HER) due to the depletion of under-coordinated copper sites that are crucial for ethylene production. Monopod ligand-capped copper (Cu-1) demonstrates high ethylene selectivity due to hydrophobicity and strong binding affinity to copper, and preserves under-coordinated sites, this latter seen in operando spectroscopy. Next, I develop microporous carbon supports for efficient gas transport near catalytic sites. Carbon supports with varying nitrogen doping ratios and particle sizes affect ethanol and propanol selectivity. Introducing porous carbon supports controls local reactant gas concentrations, enhancing single-pass conversion efficiency to 85% and ethanol selectivity to 45% in the carbon monoxide reduction reaction (COR). Finally, aldehyde oxidation as an anodic reaction was explored to reduce cell voltage, an approach that takes advantage of low oxidation potentials and the anodic hydrogen evolution (a-HER). Previously-studied oxide-derived copper catalysts (OD-Cu) suffer from limited stability due to overoxidation. Gold-doped OD-Cu shows enhanced activity and stability, maintaining performance for over 10 hours at 350 mA/cm² due to resistance to overoxidation. Coupling a-HER with COR achieves 63% ethylene selectivity, 91% SPCE, and a cell voltage of 0.92 V at 400 mA/cm². A techno-economic assessment evaluates the low-carbon intensity system for sustainable chemicals production. Overall, this study points to the critical role of not only the catalyst, but also the electrochemical microenvironment – regulated by the catalyst support, the electrolyte, and the local environment operando – as key drivers of CO2 reduction performance.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
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.
score_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 découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».