Desarrollo de electrodos recubiertos de membrana para la electrorreducción de CO2 en medio alcalino
- Autores: Aitor Marcos Madrazo
- Directores de la Tesis: Ángel Irabien Gulías (dir. tes.), Clara Casado Coterillo (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Títulos paralelos:
- Development of membrane coated electrodes for the electroreduction of CO2 in alkaline media
- Tribunal Calificador de la Tesis: Ana María Urtiaga Mendia (presid.), José Manuel Serra Alfaro (secret.), Ricardo Abejón Elías (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Química, de la Energía y de Procesos por la Universidad de Cantabria
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
Las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes de distintas actividades, como la producción de energía en centrales térmicas, son una de las principales contribuciones antropogénicas al calentamiento global y al cambio climático. El dióxido de carbono (CO2) es el más relevante de estos gases, por lo que resulta imprescindible fomentar la generación de energía mediante fuentes renovables, así como implementar tecnologías de captura y utilización de CO2 (CCU). En este contexto, la electrorreducción de CO2 (CO2R) es una tecnología involucrada tanto en la utilización de CO2 como en el desarrollo de fuentes de energía renovables, concretamente como sistema de almacenamiento de energía. La CO2R consiste en transformar el CO2 por vía electroquímica en productos de interés para la industria, como hidrocarburos o alcoholes. El proceso se lleva a cabo en un reactor electroquímico que consta de distintos elementos, siendo los principales el cátodo, electrodo en el que tiene lugar la reacción de reducción del CO2, el ánodo, donde se desarrolla una oxidación como contrarreacción, y el medio electrolítico por el que se transporta la carga eléctrica entre los dos electrodos, en forma de iones. Este último elemento puede ser un líquido, principalmente disoluciones acuosas, pero también existe la posibilidad de emplear electrolitos sólidos que, además de permitir el transporte de cargas iónicas entre electrodos, dificultan el paso de reactivos o productos del cátodo al ánodo, mejorando así el rendimiento del reactor. Estos electrolitos sólidos son las membranas de intercambio iónico (IEM). De esta forma, esta tesis se centra en explorar los roles de la IEM en la CO2R, tanto su papel como electrolito sólido y separador de electrodos, como su aplicación como recubrimiento superficial del electrodo, para proteger el material catalítico y controlar las limitaciones de transporte en la reacción, mejorando así la selectividad de la reacción. Este diseño de electrodo se ha denominado membrane coated electrode (MCE). Primero, se prepararon una serie de IEMs resistentes en medio alcalino, empleando los polímeros quitosano (CS), alternativa de interés por proceder de una fuente renovable y que posee cierta capacidad de intercambio iónico, y alcohol polivinílico (PVA), útil por su capacidad de generar enlaces entrecruzados con otros polímeros para preparar membranas más robustas. Además, se incluyeron distintos rellenos basados en Cu para potenciar sus propiedades físico-químicas, y se realizó una caracterización exhaustiva de estas membranas para seleccionar las más prometedoras. Después, se fabricaron electrodos para la CO2R con Cu como catalizador y CS como ionómero aglutinante, empleando las IEMs seleccionadas como recubrimiento. En concreto, se prepararon cuatro MCEs: uno con recubrimiento puramente polimérico (CS:PVA) y tres con membranas de matriz mixta (MMM) con los diversos rellenos inorgánicos: nanopartículas de Cu (Cu/CS:PVA), Cu intercambiado en un silicato de estaño laminar con altas capacidades de intercambio iónico (CuUZAR-S3/CS:PVA) y Cu intercambiado en zeolita Y (CuY/CS:PVA). Estos electrodos, junto con un electrodo sin recubrimiento, se caracterizaron para estudiar su capacidad catalítica mediante voltametrías cíclicas y ensayos de cronoamperometría, tras los cuales se analizó el electrolito usado y se detectó la formación de metanol con una eficiencia de Faraday de hasta el 68%. Por último, se estudió el comportamiento de estos electrodos en un reactor de flujo continuo, modificando la estructura de este para operar con y sin electrolito líquido en el compartimento del cátodo. Se emplearon varias IEMs alcalinas como separador entre electrodos: dos membranas preparadas a partir de CS y PVA, y dos membranas comerciales, la FAA-3 de Fumatech (Alemania) y la Sustainion X-37 de Dioxide Materials (EE.UU.), y se comparó el rendimiento del electrodo sin recubrimiento sustituyendo los ionómeros respectivos de las IEMs: CS, Fumion y Sustainion como aglutinante del catalizador. Los resultados demostraron el potencial del CS como ionómero en la preparación de electrodos para CO2R en sustitución de los materiales comerciales, y la mejora de la selectividad que confieren los MCEs, en especial el electrodo con recubrimiento CuUZAR-S3/CS:PVA, con una eficiencia de Faraday a etileno del 98 %. En definitiva, tanto los materiales como el diseño de electrodo planteados en esta tesis ofrecen una prometedora línea de investigación para el desarrollo de la CO2R.
- English
One of the main anthropogenic contributions to global warming and climate change is the emission of greenhouse gases coming from different activities, e.g. energy production from fossil fuels. Carbon dioxide (CO2) is the most relevant of all these gases. Thus, it is mandatory to promote the energy production from renewable sources and to implement carbon capture and utilization (CCU) processes. In this regard, CO2 electroreduction (CO2R) is a technology involved in both, CO2 utilization and the development of a renewable electricity mix, as an energy storage system. This technology is able to electrochemically transform CO2 into diverse products like hydrocarbons or alcohols. CO2R takes place in an electrochemical reactor which combines different elements: the cathode, the electrode where the reduction reaction is carried out, the anode, the counter electrode at which an oxidation occurs, and the electrolyte which transports the ionic charges. The latter element could be liquid, typically aqueous solutions, but it is also possible to employ solid electrolytes which allows the ionic transfer between electrodes while avoiding products crossover. These solid electrolytes are the ion exchange membranes (IEM). This thesis is focused in exploring the roles of the IEM in CO2R. Three different functions of the membrane were studied: as solid polyelectrolyte and barrier between electrodes, but also its use as overlayer of the cathode was introduced, leading to the development of membrane coated electrodes (MCE). This electrode structure was proposed to protect the catalyst from material losses and degradation, and to control the mass transfer limitations to improve the selectivity of the reaction as well.
- español
