Aufklärung der In-situ-Impedanzkinetik-Mechanismen für selektive Ethylenglykol-Elektrooxidation zur Formiatproduktion, reguliert durch Mo-dotiertes NiCo2O4

Der Ersatz der trägen anodischen Sauerstoffentwicklung (OER) durch die wertschöpfende Ethylenglykol-Oxidationsreaktion (EGOR) ist eine vielversprechende Strategie zur energieeffizienten Wasserstoffproduktion. Dennoch bleibt es eine Herausforderung, eine hohe Faradaische Effizienz (FE) und Selektivität zu erreichen und gleichzeitig die komplexen Reaktionskinetiken und Massentransportmechanismen in Verbindung mit der Wasserstoffentwicklung (HER) zu verstehen. Hierbei erreicht ein Mo-dotierter NiCo2O4-Elektrokatalysator, hergestellt mittels einer CTAB-unterstützten Methode, bei 100 mA/cm2 in einer Drei-Elektroden-Halbzellen-Konfiguration >98 % FE und >98 % Selektivität für die Elektrooxidation von Ethylenglykol (EG) zu Ameisensäure (FA). Die Dichtefunktionaltheorie (DFT) zeigt, dass die Mo-Dotierung die elektronische Struktur optimiert und damit die Energiebarriere des geschwindigkeitsbestimmenden Schritts (RDS) für die selektive FA-Produktion senkt. Ein asymmetrischer Flussfeld-Anionenaustauschmembran- (AEM-) Flusselektrolyseur wurde entwickelt, um Massentransportbegrenzungen zu überwinden, was eine Zellspannungssenkung von 143 mV im Vergleich zur konventionellen Wasserelektrolyse sowie einen stabilen Betrieb über 30 h ermöglicht. In-situ elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) mit Verteilung der Relaxationszeiten (DRT) entkoppelt unter Betriebsbedingungen quantitativ Ionentransport-, Ladungstransfer- und Massentransportwiderstände. Systematische Optimierungen von Stromdichte, Flussrate und EG-Konzentration zeigten eine synergistische Regulierung von Kinetik und Massentransport. Diese Arbeit liefert ein hochleistungsfähiges System zur Koproduktion von grünem Wasserstoff und wertvollen Chemikalien und etabliert einen universellen Diagnoseansatz zur Optimierung hybrider Elektrolysessysteme.