journal article·2020-01-09Open access

Editors’ Choice—Flooded by Success: On the Role of Electrode Wettability in CO 2 Electrolyzers that Generate Liquid Products

McLain E. Leonard, Michael J. Orella, Nicholas Aiello, Yuriy Román-Leshkov, Antoni Forner-Cuenca, Fikile R. Brushett

Abstract

Economic operation of carbon dioxide (CO 2 ) electrolyzers generating liquid products will likely require high reactant conversions and product concentrations, conditions anticipated to challenge existing gas diffusion electrodes (GDEs). Notably, electrode wettability will increase as lower surface tension products (e.g., formic acid, alcohols) are introduced into electrolyte streams, potentially leading to flooding. To understand the hydraulically stable operating envelopes in mixed aqueous-organic liquid domains, we connect intrinsic electrode wettability descriptors to operating parameters such as electrolyte flow rate and current. We first measure contact angles of water-organic product dilutions on polytetrafluoroethylene (PTFE) and graphite surfaces as planar analogues for GDE components. We then use material balances around the reactive gas-liquid-solid interface to calculate product mass fractions as functions of water sweep rate and current. Product composition maps visualize the extent to which changes in cell performance influence capillary pressure, a determinant of GDE saturation. Analyses suggest that formic acid mixtures pose little risk for GDE flooding across a wide range of conditions, but effluents containing <30% alcohol by mass may cause flooding. This study reveals opportunities to integrate microstructural features and oleophobic surface treatments into GDEs to repel aqueous-organic mixtures and expand the window of stable operating conditions.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: CO2 Reduction Techniques and Catalysts · Advanced battery technologies research · Ionic liquids properties and applications

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References (83)

Show source-provided references
1. Smith · Joule · 2019 · 3 · 182210.1016/j.joule.2019.07.009 ↗
2. Darling · Energy Environ. Sci. · 2014 · 7 · 345910.1039/C4EE02158D ↗
3. Luna · Science · 2019 · 36410.1126/science.aav3506 ↗
4. Hori · 2008 · 8910.1007/978-0-387-49489-0_3 ↗
5. Feaster · ACS Catal. · 2017 · 7 · 482210.1021/acscatal.7b00687 ↗
6. Ringe · Energy Environ. Sci. · 2019 · 12 · 300110.1039/C9EE01341E ↗
7. Lobaccaro · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2016 · 18 · 2677710.1039/C6CP05287H ↗
8. Weng · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2018 · 20 · 1697310.1039/C8CP01319E ↗
9. Burdyny · Energy Environ. Sci. · 2019 · 12 · 144210.1039/C8EE03134G ↗
10. Thorson · J. Electrochem. Soc. · 2013 · 160 · F6910.1149/2.052301jes ↗
11. Kim · J. Power Sources · 2016 · 312 · 19210.1016/j.jpowsour.2016.02.043 ↗
12. Chen · Chem · 2018 · 4 · 257110.1016/j.chempr.2018.08.019 ↗
13. Larrazábal · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2019 · 11 · 4128110.1021/acsami.9b13081 ↗
14. Yin · Energy Environ. Sci. · 2019 · 12 · 245510.1039/C9EE01204D ↗
15. Liu · J. Electrochem. Soc. · 2018 · 165 · J337110.1149/2.0501815jes ↗
16. Leonard · ChemSusChem · 2020 · 13 · 40010.1002/cssc.201902547 ↗
17. De Mot · Chem. Eng. J. · 2019 · 37810.1016/j.cej.2019.122224 ↗
18. Fogler · 2006 · 1081
19. Orella · Energy Technology · 2019 · 1−12
20. de Arquer · Science · 2020 · 367 · 66110.1126/science.aay4217 ↗
21. Endrődi · ACS Energy Lett. · 2019 · 4 · 177010.1021/acsenergylett.9b01142 ↗
22. Yang · Journal of CO2 Utilization · 2017 · 20 · 20810.1016/j.jcou.2017.04.011 ↗
23. Gabardo · Joule · 2019 · 3 · 277710.1016/j.joule.2019.07.021 ↗
24. Ripatti · Joule · 2019 · 3 · 24010.1016/j.joule.2018.10.007 ↗
25. Dinh · ACS Energy Lett. · 2018 · 3 · 283510.1021/acsenergylett.8b01734 ↗
26. Dinh · Science · 2018 · 360 · 78310.1126/science.aas9100 ↗
27. Vielstich · 2003 · 3826
28. Pinnow · J. Appl. Electrochem. · 2011 · 41 · 105310.1007/s10800-011-0311-2 ↗
29. Haas · Nat. Catal. · 2018 · 1 · 3210.1038/s41929-017-0005-1 ↗
30. Washburn · Phys. Rev. · 1921 · 17 · 27310.1103/PhysRev.17.273 ↗
31. Deen · 2011 · 688
32. Gu · Chemical Engineering Science · 2019 · 196 · 22510.1016/j.ces.2018.10.054 ↗
33. de Gennes · 2010 · 291
34. Contact angle, wettability, and adhesion10.1021/ba-1964-0043.ch001 ↗
35. Dunlap · Nature · 1962 · 196 · 131210.1038/1961312a0 ↗
36. Weissenborn · J. Colloid Interface Sci. · 1996 · 184 · 55010.1006/jcis.1996.0651 ↗
37. Álvarez · Journal of Chemical & Engineering Data · 1997 · 42 · 95710.1021/je970025m ↗
38. Li · Ind. Eng. Chem. Res. · 1999 · 38 · 113310.1021/ie980465m ↗
39. Ohshima · Colloid. Polym. Sci. · 2004 · 282 · 104410.1007/s00396-003-1024-9 ↗
40. Young · Phil. Trans. R. Soc. Lond. · 1805 · 95 · 65
41. Wenzel · Ind. Eng. Chem. · 1936 · 28 · 98810.1021/ie50320a024 ↗
42. Cassie · Trans. Faraday Soc. · 1944 · 40 · 54610.1039/tf9444000546 ↗
43. 2012
44. 2008
45. Fishman · Int. J. Hydrogen Energy · 2010 · 35 · 914410.1016/j.ijhydene.2010.06.027 ↗
46. Parry · Appl. Surf. Sci. · 2012 · 258 · 561910.1016/j.apsusc.2012.02.038 ↗
47. Forner-Cuenca · J. Electrochem. Soc. · 2016 · 163 · F78810.1149/2.0271608jes ↗
48. Shi · Nat. Commun. · 2020 · 11 · 302810.1038/s41467-020-16847-9 ↗
49. Xia · Nat. Energy · 2019 · 4 · 77610.1038/s41560-019-0451-x ↗
50. SK · 2004 · 2
52. Lee · Langmuir · 2008 · 24 · 481710.1021/la700902h ↗
53. Rumble · 2018
54. Kozbial · Langmuir · 2017 · 33 · 95910.1021/acs.langmuir.6b04193 ↗
55. Qiu · Langmuir · 2016 · 32 · 969710.1021/acs.langmuir.6b02072 ↗
56. Delacourt · J. Electrochem. Soc. · 2008 · 155 · B4210.1149/1.2801871 ↗
57. Naughton · J. Power Sources · 2011 · 196 · 176210.1016/j.jpowsour.2010.09.114 ↗
58. Brushett · Int. J. Hydrogen Energy · 2012 · 37 · 255910.1016/j.ijhydene.2011.10.078 ↗
59. Naughton · J. Power Sources · 2013 · 242 · 58110.1016/j.jpowsour.2013.05.054 ↗
60. Wu · J. Electrochem. Soc. · 2015 · 162 · F2310.1149/2.1021414jes ↗
61. Verma · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2016 · 18 · 707510.1039/C5CP05665A ↗
62. Verma · ACS Energy Lett. · 2018 · 3 · 19310.1021/acsenergylett.7b01096 ↗
63. Liu · ACS Energy Lett. · 2019 · 4 · 63910.1021/acsenergylett.9b00137 ↗
64. Gabardo · Energy Environ. Sci. · 2018 · 11 · 253110.1039/C8EE01684D ↗
65. Salvatore · ACS Energy Lett. · 2020 · 5 · 21510.1021/acsenergylett.9b02356 ↗
66. Xu · Energy Environ. Sci. · 2019 · 13 · 55410.1039/C9EE03077H ↗
67. Edwards · Appl. Energy · 2020 · 26110.1016/j.apenergy.2019.114305 ↗
68. Schulz · Mar. Chem. · 2006 · 100 · 5310.1016/j.marchem.2005.11.001 ↗
69. Kutana · Nano Lett. · 2006 · 6 · 65610.1021/nl052393b ↗
70. Lomax · Soft Matter · 2016 · 12 · 879810.1039/C6SM01565D ↗
71. Purcell · Journal of Petroleum Technology · 1950 · 2 · 1110.2118/950369-G ↗
72. Forner-Cuenca · J. Electrochem. Soc. · 2016 · 163 · F103810.1149/2.0511609jes ↗
73. Ge · Int. J. Heat Mass Transfer · 2017 · 107 · 41810.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.11.045 ↗
74. Mason · J. Colloid Interface Sci. · 1994 · 168 · 13010.1006/jcis.1994.1402 ↗
75. Tranter · J. Electrochem. Soc. · 2020 · 167 · 11451210.1149/1945-7111/ab9d61 ↗
76. Gostick · J. Power Sources · 2006 · 162 · 22810.1016/j.jpowsour.2006.06.096 ↗
77. Gurau · J. Power Sources · 2006 · 160 · 115610.1016/j.jpowsour.2006.03.016 ↗
78. Yao · 2004
79. Deng · Adv. Mater. · 2010 · 22 · 547310.1002/adma.201002614 ↗
80. Adiletta · 1999
81. Thottupurathu · 2012
82. Liu · J. Electrochem. Soc. · 2017 · 164 · F69510.1149/2.0071707jes ↗
83. Ellinas · Adv. Colloid Interface Sci. · 2017 · 250 · 13210.1016/j.cis.2017.09.003 ↗