A mesoporous silica-supported CeO2/cellulose cathode catalyst for efficient bioelectrochemical reduction of inorganic carbon to biofuels

文献情報

出版日 2021-07-21
DOI 10.1039/D1RE00166C
インパクトファクター 4.239
著者

Dayakar Thatikayala, Deepak Pant, Booki Min


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要旨

In this study, a novel efficient cathode electrode was fabricated to convert inorganic carbon to volatile fatty acids (VFAs) through microbial electrosynthesis (MES) in a single chamber reactor. The cathode catalyst was made up of mesoporous silica (mS) coated with cerium oxide (CeO2) and carbonized cellulose (C) in which mS acted as a core material and both CeO2 and C acted as a shell material. CeO2/C was loaded on the porous surface of mS, which acted as catalytic centers to enhance the biochemical reactions. The C/CeO2@mS composite catalyst coated on carbon cloth (Cc) was characterized by XRD and FESEM and showed high crystallinity and a porous core–shell morphology. The cyclic voltammetry analysis indicated that the cathode with C/CeO2@mS exhibited higher catalytic activity (−0.59 mA cm−2 (background current)) than the other controls (0.26 mA cm−2 for MES-C and −0.06 mA cm−2 for MES-mS). Three MES reactors with different cathodes were comparatively operated for the conversion of CO2 (8 g L−1 of HCO3−), and MES-C/CeO2@mS exhibited maximum acetate production (19.1 ± 0.95 mM) followed by MES-C (10.8 ± 0.51 mM) and MES-mS (9.5 ± 0.33 mM). The coulombic efficiency (CE%) in MES-C/CeO2@mS was 76%, and it was 42% and 34% for MES-mS and MES-C, respectively. The maximum current generation (0.48 ± 0.21 mA cm−2) was obtained with MES-C/CeO2@mS at a relatively higher cathode potential (−0.61 mV) as compared with the other cathodes. MES-C/CeO2@mS showed a lower Tafel slope of 220 mV dec−1, which was 2.71 times lower than that of abiotic MES-C/CeO2@mS (598 mV dec−1) suggesting enhanced electrokinetics with exoelectrogenic biofilm development on the cathode electrode. This study clearly demonstrates that the C/CeO2@mS catalyst can be successfully used for highly efficient bioelectrochemical conversion of CO2 to value added products via a MES route.

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掲載誌

Reaction Chemistry & Engineering

Reaction Chemistry & Engineering
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年間論文数: 284

Reaction Chemistry & Engineering is an interdisciplinary journal reporting cutting-edge research focused on enhancing the understanding and efficiency of reactions. Reaction engineering leverages the interface where fundamental molecular chemistry meets chemical engineering and technology. Challenges in chemistry can be overcome by the application of new technologies, while engineers may find improved solutions for process development from the latest developments in reaction chemistry. Reaction Chemistry & Engineering is a unique forum for researchers whose interests span the broad areas of chemical engineering and chemical sciences to come together in solving problems of importance to wider society. All papers should be written to be approachable by readers across the engineering and chemical sciences. Papers that consider multiple scales, from the laboratory up to and including plant scale, are particularly encouraged.

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