Towards sustainable fuels and chemicals through the electrochemical reduction of CO2: Lessons from water electrolysis

Green Chemistry

Volumn 17, Issue 12, 2015, Pages 5114-5130

  Martín, Antonio J ^a   Larrazábal, Gastón O ^a   Pérez Ramírez, Javier ^a  

^a ETH ZURICH   (Switzerland)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EID: 84948452236     PISSN: 14639262     EISSN: 14639270     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c5gc01893e     Document Type: Review

References (172)

1. M. Aresta A. Dibenedetto A. Angelini Chem. Rev. 2014 114 1709 1742
2. M. Aresta A. Dibenedetto A. Angelini Philos. Trans. R. Soc., A 2013 371 20120111 20120119
3. M. E. Royer C. R. Hebd. Seances Acad. Sci. 1870 731 732
4. R. Govindjee, in Energetics of Photosynthesis, Academic Press, 1975, pp. 1-50
5. R. J. Spreitzer M. E. Salvucci Annu. Rev. Plant Biol. 2002 53 449 475
6. T. R. Marrero T. A. Mason J. Phys. Chem. Ref. Data 1972 1 3 118
7. J.-H. Jeoung H. Dobbek Science 2007 318 1461 1464
8. Y. Kung C. L. Drennan Curr. Opin. Chem. Biol. 2011 15 276 283
9. H. A. Hansen J. B. Varley A. A. Peterson J. K. Nørskov J. Phys. Chem. Lett. 2013 4 388 392
10. N. Sridhar, A. Agarwal and E. Rode, Electrochemical Production of Chemicals, 2012
11. A. S. Agarwal Y. Zhai D. Hill N. Sridhar ChemSusChem 2011 4 1301 1310
12. A. Dominguez-Ramos B. Singh X. Zhang E. G. Hertwich A. Irabien J. Cleaner Prod. 2013 104 148 155
13. C. Oloman H. Li ChemSusChem 2008 1 385 391
14. H. Li C. Oloman J. Appl. Electrochem. 2007 37 1107 1117
15. X. Lu D. Y. C. Leung H. Wang M. K. H. Leung J. Xuan ChemElectroChem 2014 1 836 849
16. E. V. Kondratenko G. Mul J. Baltrusaitis G. O. Larrazábal J. Pérez-Ramírez Energy Environ. Sci. 2013 6 3112 3135
17. J. M. Bockris A. J. Appleby Envon. This Month 1972 1 29
18. S. Curtin and J. Gangi, History of hydrogen, National Hydrogen Association, U.S. Department of Energy, 2010
19. M. Carmo D. L. Fritz J. Mergel D. Stolten Int. J. Hydrogen Energy 2013 38 4901 4934
20. H.-R. 'Molly' Jhong S. Ma P. J. Kenis Curr. Opin. Chem. Eng. 2013 2 191 199
21. D. T. Whipple P. J. A. Kenis J. Phys. Chem. Lett. 2010 1 3451 3458
22. Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, FCH JU Projects, 2015
23. T. Hua R. Ahluwalia L. Eudy G. Singer B. Jermer N. Asselin-Miller S. Wessel T. Patterson J. Marcinkoski J. Power Sources 2014 269 975 993
24. J. Alazemi J. Andrews Renewable Sustainable Energy Rev. 2015 48 483 499
25. P. E. Dodds I. Staffell A. D. Hawkes F. Li P. Grünewald W. McDowall P. Ekins Int. J. Hydrogen Energy 2015 40 2065 2083
26. U.S. Department of Energy, 2014 Annual Progress Report, 2015
27. Mantra Energy, ERC Pilot Plant, http://mantraenergy.com/mantra-energy/technology/erc-pilot-plant/
28. US Department of Energy, An Integrated Strategic Plan for the Research, Development, and Demonstration of Hydrogen and Fuel Cell Technologies, 2011
29. Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, Multi-Annual Work Plan 2014-2020, 2014
30. New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), Development of fuel cells and hydrogen technologies, 2009
31. C. A. Rodriguez M. A. Modestino D. Psaltis C. Moser Energy Environ. Sci. 2014 7 3828 3835
32. G. A. Olah, A. Goeppert and G. K. S. Prakash, Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy, Second updated and enlarged edition, WILEY-VCH Verlag, Weinheim, 2nd edn, 2009
33. K. Jüttner, in Encyclopedia of Electrochemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2007
34. A. J. Bard and L. R. Faulkner, in Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, John Wiley & Sons, Inc., 2nd edn, 2001, pp. 44-86
35. K. W. Harrison, R. Remick, G. D. Markin and A. Hoskin, in 18th World Hydrogen Energy Conference, Essen, Germany, 2010
36. H.-R. 'Molly' Jhong F. R. Brushett P. J. A. Kenis Adv. Energy Mater. 2013 3 589 599
37. E. Dufek T. Lister M. McIlwain J. Appl. Electrochem. 2011 41 623 631
38. T. Hatsukade K. P. Kuhl E. R. Cave D. N. Abram T. F. Jaramillo Phys. Chem. Chem. Phys. 2014 16 13814 13819
39. C. Delacourt P. L. Ridgway J. B. Kerr J. Newman J. Electrochem. Soc. 2008 155 B42 B49
40. S. Ma R. Luo S. Moniri Y. Lan P. J. A. Kenis J. Electrochem. Soc. 2014 161 F1124 F1131
41. D. T. Whipple E. C. Finke P. J. A. Kenis Electrochem. Solid-State Lett. 2010 13 B109 B111
42. H.-Y. Kim I. Choi S. H. Ahn S. J. Hwang S. J. Yoo J. Han J. Kim H. Park J. H. Jang S.-K. Kim Int. J. Hydrogen Energy 2014 39 16506 16512
43. K. P. Kuhl T. Hatsukade E. R. Cave D. N. Abram J. Kibsgaard T. F. Jaramillo J. Am. Chem. Soc. 2014 136 14107 14113
44. E. J. Dufek T. E. Lister M. E. McIlwain Electrochem. Solid-State Lett. 2012 15 B48 B50
45. A. Awasthi K. Scott S. Basu Int. J. Hydrogen Energy 2011 36 14779 14786
46. F. Marangio M. Santarelli M. Cali Int. J. Hydrogen Energy 2009 34 1143 1158
47. Z. Liang M. A. Ioannidis I. Chatzis Chem. Eng. Sci. 2000 55 5247 5262
48. A. J. Bard and L. R. Faulkner, in Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, John Wiley and Sons, 2nd edn, 2001, pp. 87-136
49. E. A. Wargo A. C. Hanna A. Çeçen S. R. Kalidindi E. C. Kumbur J. Power Sources 2012 197 168 179
50. J. Xu G. Liu J. Li X. Wang Electrochim. Acta 2012 59 105 112
51. J. Qiao Y. Liu F. Hong J. Zhang Chem. Soc. Rev. 2014 43 631 675
52. C. Costentin M. Robert J.-M. Savéant Chem. Soc. Rev. 2013 42 2423 2436
53. J.-P. Jones G. K. S. Prakash G. A. Olah Isr. J. Chem. 2014 54 1451 1466
54. A. A. Peterson F. Abild-pedersen F. Studt J. Rossmeisl J. K. Nørskov Energy Environ. Sci. 2010 3 1311 1315
55. A. A. Peterson J. K. Nørskov J. Phys. Chem. Lett. 2012 3 251 258
56. P. Hirunsit J. Phys. Chem. C 2013 117 8262 8268
57. E. Lamy L. Nadjo J. M. Saveant J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1977 78 403 407
58. Y. Chen C. W. Li M. W. Kanan J. Am. Chem. Soc. 2012 134 19969 19972
59. Z. M. Detweiler J. L. White S. L. Bernasek A. B. Bocarsly Langmuir 2014 30 7593 7600
60. M. F. Baruch J. E. Pander J. L. White A. B. Bocarsly ACS Catal. 2015 5 3148 3156
61. C. W. Li M. W. Kanan J. Am. Chem. Soc. 2012 134 7231 7234
62. X. Feng K. Jiang S. Fan M. W. Kanan J. Am. Chem. Soc. 2015 137 4606 4609
63. S. Rasul D. H. Anjum A. Jedidi Y. Minenkov L. Cavallo K. Takanabe Angew. Chem., Int. Ed. 2015 54 2146 2150
64. Y. Chen M. W. Kanan J. Am. Chem. Soc. 2012 134 1986 1989
65. J. Medina-Ramos R. C. Pupillo T. P. Keane J. L. DiMeglio J. Rosenthal J. Am. Chem. Soc. 2015 137 5021 5027
66. B. A. Rosen A. Salehi-Khojin M. R. Thorson W. Zhu D. T. Whipple P. J. A. Kenis R. I. Masel Science 2011 334 643 644
67. Y. Oh X. Hu Chem. Soc. Rev. 2013 42 2253 2261
68. A. J. Morris R. T. McGibbon A. B. Bocarsly ChemSusChem 2011 4 191 196
69. E. Barton Cole P. S. Lakkaraju D. M. Rampulla A. J. Morris E. Abelev A. B. Bocarsly J. Am. Chem. Soc. 2010 132 11539 11551
70. D. Gao H. Zhou J. Wang S. Miao F. Yang G. Wang J. Wang X. Bao J. Am. Chem. Soc. 2015 137 4288 4291
71. A. Salehi-Khojin H. R. M. Jhong B. A. Rosen W. Zhu S. Ma P. J. A. Kenis R. I. Masel J. Phys. Chem. C 2013 117 1627 1632
72. R. Kas R. Kortlever H. Yilmaz M. T. M. Koper G. Mul ChemElectroChem 2015 2 354 358
73. R. Kortlever I. Peters S. Koper M. T. M. Koper ACS Catal. 2015 5 3916 3923
74. H. Lim H. Shin W. A. Goddard Y. J. Hwang B. K. Min H. Kim J. Am. Chem. Soc. 2014 136 11355 11361
75. J. Wu F. G. Risalvato P. P. Sharma P. J. Pellechia F.-S. Ke X.-D. Zhou J. Electrochem. Soc. 2013 160 F953 F957
76. A. Murata Y. Hori Bull. Chem. Soc. Jpn. 1991 64 123 127
77. M. R. Thorson K. I. Siil P. J. A. Kenis J. Electrochem. Soc. 2013 160 F69 F74
78. N. Gupta M. Gattrell B. MacDougall J. Appl. Electrochem. 2006 36 161 172
79. Y. Hori A. Murata R. Takahashi J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1 1989 85 2309 2326
80. J. Wu F. Risalvato X.-D. Zhou ECS Trans. 2012 41 49 60
81. A. J. Bard and L. R. Faulkner, in Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, John Wiley and Sons, 2nd edn, 2001, pp. 307-311
82. ThyssenKroup Electrolysis GmbH, Chlor-Alkali electrolysis plants. Superior membrane process, 2013
83. K. Hara A. Kudo T. Sakata J. Electroanal. Chem. 1995 391 141 147
84. M. Todoroki K. Hara A. Kudo T. Sakata J. Electroanal. Chem. 1995 394 199 203
85. K. Hara A. Tsuneto A. Kudo T. Sakata J. Electrochem. Soc. 1994 141 2097 2103
86. S. Ikeda T. Takagi K. Ito Bull. Chem. Soc. Jpn. 1987 60 2517 2522
87. K. Hirota D. A. Tryk T. Yamamoto K. Hashimoto M. Okawa A. Fujishima J. Phys. Chem. B 1998 102 9834 9843
88. G. Zhao T. Jiang B. Han Z. Li J. Zhang Z. Liu J. He W. Wu J. Supercrit. Fluids 2004 32 287 291
89. J. L. DiMeglio J. Rosenthal J. Am. Chem. Soc. 2013 135 8798 8801
90. E. Brunner W. Hültenschmidt G. Schlichthärle J. Chem. Thermodyn. 1987 19 273 291
91. T. Saeki K. Hashimoto A. Fujishima N. Kimura K. Omata J. Phys. Chem. 1995 99 8440 8446
92. T. Chang R. W. Rousseau Fluid Phase Equilib. 1985 23 243 258
93. R. O'Hayre D. M. Barnett F. B. Prinz J. Electrochem. Soc. 2005 152 A439 A444
94. U.S. Department of Energy, Handbook of fuel cells, U.S. Department of Energy, 7th edn, 2004
95. A. Jayakumar S. P. Sethu M. Ramos J. Robertson A. Al-Jumaily Ionics 2015 21 1 18
96. S.-G. Kim S.-J. Lee J. Power Sources 2013 230 101 108
97. E. J. Dufek T. E. Lister S. G. Stone M. E. McIlwain J. Electrochem. Soc. 2012 159 F514 F517
98. H. Wang J. A. Turner J. Power Sources 2008 183 576 580
99. R. C. Weast and D. R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, Boca Raton (Fla.), 70th edn, 1989, p. D-221
100. D. Kopljar A. Inan P. Vindayer N. Wagner E. Klemm J. Appl. Electrochem. 2014 44 1107 1116
101. J. Gazzarri M. Eikerling Q. Wang Z.-S. Liu Electrochem. Solid-State Lett. 2010 13 B58 B62
102. J. W. Lim Y.-H. Cho M. Ahn D. Y. Chung Y.-H. Cho N. Jung Y. S. Kang O.-H. Kim M. J. Lee M. Kim Y.-E. Sung J. Electrochem. Soc. 2012 159 B378 B384
103. M. S. Wilson S. Gottesfeld J. Appl. Electrochem. 1992 22 1 7
104. X. Ren M. S. Wilson S. Gottesfeld J. Electrochem. Soc. 1996 143 L12 L15
105. S. Zhang X. Yuan H. Wang W. Merida H. Zhu J. Shen S. Wu J. Zhang Int. J. Hydrogen Energy 2009 34 388 404
106. J. Wu X. Z. Yuan J. J. Martin H. Wang J. Zhang J. Shen S. Wu W. Merida J. Power Sources 2008 184 104 119
107. J. Chlistunoff, Final report: Advanced Chlor-Alkali Technology, DOE Award 03EE-2F/ED190403, 2005
108. H.-Y. Jung J. W. Kim Int. J. Hydrogen Energy 2012 37 12580 12585
109. O. Savadogo J. New Mater. Electrochem. Syst. 1998 1 7 66
110. P. Millet Int. J. Hydrogen Energy 1996 21 87 93
111. D. Wood J. Davey P. Atanassov R. Borup ECS Trans. 2006 3 753 763
112. R. L. Borup J. R. Davey F. H. Garzon D. L. Wood M. A. Inbody J. Power Sources 2006 163 76 81
113. R. Borup J. Davey F. Garzon D. Wood P. Welch K. More ECS Trans. 2006 3 879 886
114. J. Xie D. L. Wood K. L. More P. Atanassov R. L. Borup J. Electrochem. Soc. 2005 152 A1011 A1020
115. S. Sharma B. G. Pollet J. Power Sources 2012 208 96 119
116. L. M. Roen C. H. Paik T. D. Jarvi Electrochem. Solid-State Lett. 2004 7 A19 A22
117. C. A. Reiser L. Bregoli T. W. Patterson J. S. Yi J. D. Yang M. L. Perry T. D. Jarvi Electrochem. Solid-State Lett. 2005 8 A273 A276
118. F. Garzon F. A. Uribe T. Rockward I. G. Urdampilleta E. L. Brosha ECS Trans. 2006 3 695 703
119. Y. Hori H. Konishi T. Futamura A. Murata O. Koga H. Sakurai K. Oguma Electrochim. Acta 2005 50 5354 5369
120. N. Hoshi T. Suzuki Y. Hori J. Phys. Chem. B 1997 101 8520 8524
121. R. Kostecki J. Augustynski Ber. Bunsen-Ges. Phys. Chem. 1994 98 1510 1515
122. J. Lee Y. Tak Electrochim. Acta 2001 46 3015 3022
123. G. V. Last M. T. Schmick Identification and Selection of Major Carbon Dioxide Stream Compositions 2011
124. V. Rosca M. Duca M. T. de Groot M. T. M. Koper Chem. Rev. 2009 109 2209 2244
125. E. J. Dufek T. E. Lister M. E. McIlwain J. Electrochem. Soc. 2011 158 B1384 B1390
126. K. Hara A. Tsuneto A. Kudo T. Sakata J. Electroanal. Chem. 1997 434 239 243
127. US Department of Energy, The Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program Plan, 2011
128. D. W. DeWulf J. Electrochem. Soc. 1989 136 1686 1691
129. R. Shiratsuchi Y. Aikoh G. Nogami J. Electrochem. Soc. 1993 140 3479 3482
130. G. Nogami H. Itagaki R. Shiratsuchi J. Electrochem. Soc. 1994 141 1138 1142
131. A. M. Couper D. Pletcher F. C. Walsh Chem. Rev. 1990 90 837 865
132. N. L. Garland T. G. Benjamin J. P. Kopasz Mater. Matters 2008 3 85 90
133. M. Bodner A. Hofer V. Hacker Wiley Interdiscip. Rev.: Energy Environ. 2014 4 365 381
134. K. Ayers, PEM Electrolysis R&D Webinar, DOE Fuel Cell Technologies Program, Webinar, 2013
135. D. Rakousky, C. Carmo and M. Stolten, in 227th ECS Meeting, Chicago, Illinois, USA, 2015
136. A. Marshall S. Sunde M. Tsypkyn R. Tunold Int. J. Hydrogen Energy 2007 32 2320 2324
137. N. Sonoyama M. Kirii T. Sakata Electrochem. Comm. 1999 1 213 216
138. K. Hara T. Sakata Bull. Chem. Soc. Jpn. 1997 70 571 576
139. K. Manthiram B. J. Beberwyck A. P. Alivisatos J. Am. Chem. Soc. 2014 136 13319 13325
140. H. Yano T. Tanaka M. Nakayama K. Ogura J. Electroanal. Chem. 2004 565 287 293
141. R. L. Cook R. C. MacDuff A. F. Sammells J. Electrochem. Soc. 1990 137 607 608
142. G. Arai T. Harashina I. Yasumori Chem. Lett. 1989 18 1215 1218
143. D. Ren Y. Deng A. D. Handoko C. S. Chen S. Malkhandi B. S. Yeo ACS Catal. 2015 5 2814 2821
144. F. S. Roberts K. P. Kuhl A. Nilsson Angew. Chem., Int. Ed. 2015 127 5268 5271
145. Y. Momose K. Sato O. Ohno Surf. Interface Anal. 2002 34 615 618
146. E. Andrews M. Ren F. Wang Z. Zhang P. Sprunger R. Kurtz J. Flake J. Electrochem. Soc. 2013 160 H841 H846
147. E. E. Barton D. M. Rampulla A. B. Bocarsly J. Am. Chem. Soc. 2008 130 6342 6344
148. G. Ghadimkhani N. R. de Tacconi W. Chanmanee C. Janaky K. Rajeshwar Chem. Commun. 2013 49 1297 1299
149. A. Bandi J. Electrochem. Soc. 1990 137 2157 2160
150. D. P. Summers S. Leach K. W. Frese J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1986 205 219 232
151. S. Litster G. McLean J. Power Sources 2004 130 61 76
152. Y. Wang K. S. Chen J. Mishler S. C. Cho X. C. Adroher Appl. Energy 2011 88 981 1007
153. R. Zeis Beilstein J. Nanotechnol. 2015 6 68 83
154. L. Dubau L. Castanheira F. Maillard M. Chatenet O. Lottin G. Maranzana J. Dillet A. Lamibrac J.-C. Perrin E. Moukheiber A. ElKaddouri G. De Moor C. Bas L. Flandin N. Caqué Wiley Interdiscip. Rev.: Energy Environ. 2014 3 540 560
155. A. A. Kulikovsky Electrochim. Acta 2010 55 6391 6401
156. M. Eikerling A. A. Kornyshev J. Electroanal. Chem. 1998 453 89 106
157. T. Suzuki H. Murate T. Hatanaka Y. Morimoto R&D Rev. Toyota CRDL 2004 39 33 38
158. H. Zhang, X. Wang, J. Zhang and J. Zhang, in PEM Fuel Cell Electrocatalysts and Catalyst Layers, ed., J. Zhang, Springer, London, 2008, 889-916
159. M. Lee M. Uchida H. Yano D. A. Tryk H. Uchida M. Watanabe Electrochim. Acta 2010 55 8504 8512
160. E. Sadeghi A. Putz M. Eikerling J. Electrochem. Soc. 2013 160 F1159 F1169
161. J. Marquis M.-O. Coppens Chem. Eng. Sci. 2013 102 151 162
162. K. C. Neyerlin W. Gu J. Jorne A. Clark H. A. Gasteiger J. Electrochem. Soc. 2007 154 B279 B287
163. S. H. Kim H. Pitsch J. Electrochem. Soc. 2009 156 B673 B681
164. E. Passalacqua F. Lufrano G. Squadrito A. Patti L. Giorgi Electrochim. Acta 2001 46 799 805
165. Q. Wang H. Dong H. Yu H. Yu J. Power Sources 2015 279 1 5
166. A. Li H. Wang J. Han L. Liu Front. Chem. Sci. Eng. 2012 6 381 388
167. J. Wu P. P. Sharma B. H. Harris X. Zhou J. Power Sources 2014 258 189 194
168. L. You H. Liu Int. J. Hydrogen Energy 2001 26 991 999
169. A. D. Le B. Zhou Electrochim. Acta 2009 54 2137 2154
170. S. Mitchell N.-L. Michels K. Kunze J. Pérez-Ramírez Nat. Chem. 2012 4 825 831
171. B. Bladergroen, H. Su, S. Pasupathi and V. Linkov, in Electrolysis, ed., J. Kepleris, InTech, 2012
172. S. Ma Y. Lan G. M. J. Perez S. Moniri P. J. A. Kenis ChemSusChem 2014 7 866 874