Resumen de Valorización electroquímica de co2 para la producción de formiato en continuo usando electrodos de difusión de gas (gdes)
La captura de CO2 de gases de combustión y su posterior conversión en productos de interés (la denominada CCU, “Carbon Capture and Utilization”) se ha planteado como una estrategia interesante para mitigar las emisiones de CO2 hacia la atmósfera. Particularmente, la valorización de CO2 por vía electroquímica está recibiendo cada vez mayor atención, ya que acoplando esta tecnología a energías renovables, sería posible almacenar excesos de energía renovable en forma de productos químicos. Una de los mayores problemas en la implantacion de las energías renovables es su intermitencia; en este sentido, los productos químicos obtenidos mediante electrorreducción de CO2 podrían ser usados como combustibles en las horas de máxima demanda eléctrica, equilibrando así la producción con la demanda. Uno de los productos de electrorreducción de CO2 que mas interés despierta es el ácido fórmico o formiato, ya que se usa como materia prima en diversas industrias y puede ser empleado como molécula renovable portadora de hidrógeno y también como combustible en pilas de combustible. En este contexto, el objetivo de esta tesis es la mejora de un proceso continuo de electrorreducción de CO2 hacia formiato, empleando para ello Sn como electrocatalizador en diferentes configuraciones de electrodo.
En primer lugar, se analizó la influencia de variables de operación como la densidad de corriente y la relación de caudal de electrolito / área de electrodo mediante un diseño factorial de experimentos, utilizando como cátodo un electrodo de placa plana de Sn. Tras este estudio se emplearon electrodos particulados de Sn con partículas de Sn de 150 µm, que permitieron aumentar el área electrocatalítica, obteniéndose mayores concentraciones y velocidades de producción de formiato, por ejemplo, una velocidad de 1,4·10-3 mol m-2 s-1 con una concentración de 1348 mg L-1 y un 70% de eficiencia faradaica aproximadamente. Con este tipo de electrodos se llevó a cabo también un diseño factorial de experimentos para analizar la influencia de las variables densidad de corriente, relación caudal de electrolito / área de electrodo y carga de Sn en el electrodo. Finalizado este estudio se estudiaron electrodos particulados de Sn con un tamaño de partícula de 150 nm, para aumentar todavía más el área electrocatalítica, obteniéndose una mejora tanto en velocidad de producción como en concentración de formiato y pudiendo mantener la eficiencia faradaica cercana al 70%. Con estos electrodos se alcanzaron concentraciones de hasta 1,5 g L-1 trabajando en modo continuo, con un solo paso por el reactor y con una velocidad de producción de 3,2·10-3 mol m-2 s-1.
Debido a que no existían partículas comerciales de Sn con un tamaño menor de 150 nm fue necesario adaptar un método de síntesis de nanopartículas de Sn fácil y rápido para poder fabricar electrodos con un menor tamaño de partícula e intentar de esta forma aumentar el área electrocatalítica del electrodo. Las partículas sintetizadas mediante este método tenían un tamaño de 15 nm y estaban soportadas sobre carbono. Con estas partículas se fabricaron electrodos de difusión de gases (GDEs) para ser utilizados en un proceso continuo de electrorreducción de CO2 hacia formiato. Con estos electrodos se alcanzaron, por ejemplo, concentraciones de formiato de 2,5 g L-1 con una eficiencia faradaica del 70% trabajando a una densidad de corriente de 150 mA cm-2. Por otro lado, aumentado la densidad de corriente hasta 200 mA cm-2 y disminuyendo la relación de caudal de electrolito / área de electrodo se lograron alcanzar concentraciones de aproximadamente 17 g L-1 de formiato.
Con el objetivo de analizar los efectos de la disminución del tamaño de partícula, se propuso como método de estimación la adsorción de N2 para obtener el área electrocatalítica de los electrodos particulados. Después de aproximar el área electrocatalítica y calcular las velocidades de formación y densidades de corriente reales no se observó otra influencia más que el efecto de aumento de área electrocatalítica.
Finalmente, se llevaron cabo pruebas preliminares con un sistema para la electrorreducción de CO2 hacia formiato de como continuo con alimentación en fase gas. Tras obtener concentraciones de formiato superiores a las obtenidas con GDEs pero con un consumo energético un 50% más bajo, se diseñó una planta a escala de laboratorio para analizar la influencia de las variables de operación en este sistema.
