Producció de combustibles solars mitjançant la conversió fotoelectroquímica del diòxid de carboni

Ibrahim Erdem Irtem

Morante i Lleonart, Joan Ramon Andreu Arbella, Teresa

La creixent emissió global de diòxid de carboni (CO2) reflecteix la dependència energètica mundial dels combustibles fòssils. La conversió de l'emissió de CO2 en productes de valor afegit, com ara els combustibles, completa una economia circular de CO2 que requereix un sistema de conversió i emmagatzematge d'energia renovable. Entre algunes, la foto/electroquímica ha estat particularment atractiva gràcies a la seva eficiència energètica i el seu enorme potencial per a aplicacions industrials. La producció d'àcid fòrmic (HCOOH) a partir de la reducció de CO2 apareix com una opció alternativa d'emmagatzematge d'energia basada en la comercialització d'aquest procés. Aquí, es necessiten catalitzadors estables i selectius que treballin a baix sobrepotencial per reduir el CO2. De la mateixa manera, el disseny de les cel·les és fonamental per millorar el transport de massa de CO2 per obtenir altes eficiències de conversió i aconseguir rendiments de producció factibles. El treball inicial es va dur a terme en el disseny i la comprensió dels paràmetres operatius d'una cel·la de flux electroquímica (cel·la ECf), com ara els cabals i els potencials dels elèctrodes. Per a la reducció de CO2 al lloc del càtode, es van produir dos elèctrodes de difusió de gas diferents mitjançant electrodeposició: Sn-GDE i Cu-GDE. Es va establir un rang de potencial òptim per controlar la selectivitat de l'HCOOH. La reacció complementaria al lloc de l'ànode, la reacció d'evolució d'oxigen (OER), es va estudiar utilitzant nanopartícules d'òxid de Mn-Co per substituir el catalitzador DSA: òxid d'Ir-Ta, que és car. Els esforços posteriors es van dedicar al muntatge d'una cel·la de flux fotoelectroquímica (cel·la PECf) que va permetre l'acoblament de Sn-GDE com a càtode enfront de nanorods de TiO2 com a fotoànode. Això va conduir a una reducció de gairebé 1/3 del voltatge global de la cel·la, assolint una eficiència energètica de fins al 70%. L'eficiència de conversió solar-combustible (STF) va ser del 0,25%, que va ser una de les eficiències més altes reportades entre les dades obtingudes d'una cel·la a nivell de dispositiu. Els resultats van demostrar que es podia aconseguir una eficiència del sistema optimitzada amb un fotoànode de banda prohibida gran amb una estabilitat superior i un càtode GDE amb una transferència de massa de CO2 millorada. El desplegament de fonts d'energia renovables requerirà l'aparició de noves tecnologies. La cel·la de flux fotoelectroquímica desenvolupada en aquest treball pot emmagatzemar energia de fonts d'electricitat intermitents (és a dir, eòlica i solar) de manera sostenible. Això pot aplanar el camí per a la comercialització d'aquest procés i avançar cap a una economia circular de CO2.

L'eficiència típica de les plantes és d'un 0,1 a un 0,2%. L'interès principal d'aquest treball és demostrar com un dispositiu fotoelectroquímic pot convertir contínuament el CO2, obtenint un rendiment superior a la capacitat de la fotosíntesi biològica: prova del concepte de la fotosíntesi artificial aplicable a la indústria. Les reaccions estudiades són la reducció de CO2 a HCOO– (formiat amb un preu per tona mètrica actualment al voltant de 1000 € amb un augment anual del 2%) i la seva reacció complementària, l'oxidació de H2O a O2. Com que ambdues reaccions són processos endotèrmics, l'aportació d'energia s'ha de minimitzar i subministrar mitjançant fonts d'energia renovables per augmentar la rendibilitat, tal com es mostra en aquest treball. Les empreses que busquen reduir la seva petjada de carboni dels plàstics i combustibles sense sacrificar l'economia dels productes fabricats convencionalment podrien ser el grup d'interès. Podem crear aquests productes baixos en carboni a partir de qualsevol font de CO2, però la indústria petroquímica i del ciment existent (processos d'etilè, òxid d'etilè i amoníac) representa una font inicial atractiva de CO2 a causa de la puresa de la seva emissió. Només a Europa, emeten 100 Mt de gas CO2 pur a l'any, cosa que deixa 40.000 milions de dòlars de valor potencial sobre la taula i s'exposa a futurs riscos regulatoris. A més, ja tenen cadenes de subministrament establertes per als productes que podem produir, és a dir, formiat, un líquid estable i una barreja de CO/H2, un gas de síntesi per a combustible sintètic.

CO2 Emission; Fossil Fuels; Value-Added Products; Fuels; Circular CO2 Economy; Renewable Energy Conversion; Energy Storage System; Photo/Electrochemistry; Energy Efficiency; Industrial Applications; **Formic Acid (HCOOH)** Production; CO2 Reduction; Alternative Energy Storage; Commercialization; Stable Catalysts; Selective Catalysts; Low Overpotential; Cell Design; CO2 Mass Transport; High Conversion Efficiencies; Feasible Production Yields; Electrochemical Flow Cell (ECf-cell); Operational Parameters; Flow Rates; Electrode Potentials; Cathode; Gas Diffusion Electrodes (GDE); Electrodeposition; Sn-GDE; Cu-GDE; Optimum Potential Range; HCOOH Selectivity; Anode; Oxygen Evolution Reaction (OER); Mn-Co Oxide Nanoparticles; DSA; Ir-Ta Oxide Catalyst; Photoelectrochemical Flow Cell (PECf-cell); TiO2 Nanorods; Photoanode; Overall Cell Voltage Reduction; Energy Efficiency; Solar-to-Fuel (STF) Conversion Efficiency; Optimized System Efficiency; Large Bandgap Photoanode; Superior Stability; GDE Cathode; Improved CO2 Mass Transfer; Renewable Energy Sources; Intermittent Electricity Sources; Wind Energy; Solar Energy; Sustainable Energy Storage; Commercialization Path.