Carbon dioxide electroreduction (CO2R) is being actively studied as a promising route to convert carbon emissions to valuable chemicals and fuels. However, the fraction of input CO2 that is productively reduced has typically been very low, <2% for multicarbon products; the balance reacts with hydroxide to form carbonate in both alkaline and neutral reactors. Acidic electrolytes would overcome this limitation, but hydrogen evolution has hitherto dominated under those conditions. We report that concentrating potassium cations in the vicinity of electrochemically active sites accelerates CO2 activation to enable efficient CO2R in acid. We achieve CO2R on copper at pH <1 with a single-pass CO2 utilization of 77%, including a conversion efficiency of 50% toward multicarbon products (ethylene, ethanol, and 1-propanol) at a current density of 1.2 amperes per square centimeter and a full-cell voltage of 4.2 volts.

The electrochemical conversion of CO2 produces valuable chemicals and fuels. However, operating at high reaction rates produces locally alkaline conditions that convert reactant CO2 into cell-damaging carbonate salts. These salts precipitate in the porous cathode structure, block CO2 transport, reduce reaction efficiency, and render CO2 electrolysis inherently unstable. We propose a self-cleaning CO2 reduction strategy with short, periodic reductions in applied voltage, which avoids saturation and prevents carbonate salt formation. We demonstrate this approach in a membrane electrode assembly (MEA) with silver and copper catalysts, on carbon and polytetrafluoroethylene (PTFE)-based gas diffusion electrodes, respectively. When operated continuously, the C2 selectivity of the copper–PTFE system started to decline rapidly after only ∼10 h. With the self-cleaning strategy, the same electrode operated for 157 h (236 h total duration), maintaining 80% C2 product selectivity and 138 mA cm–2 of C2 partial current density, at a cost of <1% additional energy input.

The carbon dioxide reduction reaction (CO2RR) presents the opportunity to consume CO2 and produce desirable products. However, the alkaline conditions required for productive CO2RR result in the bulk of input CO2 being lost to bicarbonate and carbonate. This loss imposes a 25% limit on the conversion of CO2 to multicarbon (C2+) products for systems that use anions as the charge carrier—and overcoming this limit is a challenge of singular importance to the field. Here, we find that cation exchange membranes (CEMs) do not provide the required locally alkaline conditions, and bipolar membranes (BPMs) are unstable, delaminating at the membrane–membrane interface. We develop a permeable CO2 regeneration layer (PCRL) that provides an alkaline environment at the CO2RR catalyst surface and enables local CO2 regeneration. With the PCRL strategy, CO2 crossover is limited to 15% of the amount of CO2 converted into products, in all cases. Low crossover and low flow rate combine to enable a single pass CO2 conversion of 85% (at 100 mA/cm2), with a C2+ faradaic efficiency and full cell voltage comparable to the anion-conducting membrane electrode assembly.

Abstract This study employs the nonequilibrium Green’s function method in conjunction with density functional theory to fabricate and analyze a Graphene Nanoribbon Field-Effect Transistor (GNRFET). The co-doping of B and N creates built-in electric fields, thereby reducing leakage current. The results demonstrate effective control performance of planar gates, as evidenced by an increase in Ids with rising gate voltage. Furthermore, a negative differential conductance phenomenon is observed at bias voltages exceeding 0.7 V, exhibiting correlation with transmission spectra and energy band structures. To precisely illustrate the electron distribution within the doped scattering region, calculations involving transport paths, the molecular projection self-consistent Hamiltonian (MPSH), and the emission eigenvalues and eigenstates of the device are conducted. This research provides a reference for exploring and developing smaller and more energy-efficient AGNR field effect transistor designs and implementations. The principal objective of this paper is to investigate the potential applications of smaller, more energy-efficient devices.