Producción de combustibles solares mediante conversión fotoelectroquímica de dióxido de carbono

Ibrahim Erdem Irtem

Morante i Lleonart, Joan Ramon Andreu Arbella, Teresa

La creciente emisión global de dióxido de carbono (CO₂) refleja la dependencia energética mundial de los combustibles fósiles. La conversión de las emisiones de CO₂ en productos de valor añadido, como los combustibles, completa una economía circular del CO₂ que requiere un sistema de conversión y almacenamiento de energías renovables. Entre algunas, la fotoelectroquímica ha resultado especialmente atractiva gracias a su eficiencia energética y su enorme potencial para aplicaciones industriales. La producción de ácido fórmico (HCOOH) a partir de la reducción de CO₂ se presenta como una opción alternativa de almacenamiento de energía basada en la comercialización de este proceso. En este contexto, se necesitan catalizadores estables y selectivos que funcionen a bajo sobrepotencial para reducir el CO₂. Asimismo, el diseño de la celda es fundamental para mejorar el transporte de masa de CO₂ y obtener altas eficiencias de conversión y rendimientos de producción viables. El trabajo inicial se centró en el diseño y la comprensión de los parámetros operativos de una celda de flujo electroquímico (celda ECf), como los caudales y los potenciales de los electrodos. Para la reducción de CO₂ en el cátodo, se fabricaron dos electrodos de difusión de gas diferentes mediante electrodeposición: Sn-GDE y Cu-GDE. Se estableció un rango de potencial óptimo para controlar la selectividad del HCOOH. La reacción complementaria en el sitio del ánodo, la reacción de evolución de oxígeno (OER), se estudió utilizando nanopartículas de óxido de Mn-Co para reemplazar el costoso catalizador de óxido DSA: Ir-Ta. Los esfuerzos posteriores se dedicaron al ensamblaje de una celda de flujo fotoelectroquímica (celda PECf) que permitió el acoplamiento de Sn-GDE como cátodo frente a nanobarras de TiO2 como fotoánodo. Esto condujo a una reducción de casi 1/3 en el voltaje total de la celda, alcanzando una eficiencia energética de hasta el 70 %. La eficiencia de conversión de energía solar a combustible (STF) fue del 0,25 %, que fue una de las eficiencias más altas informadas entre los datos obtenidos de una celda a nivel de dispositivo. Los resultados demostraron que se podía lograr una eficiencia optimizada del sistema con un fotoánodo de banda prohibida grande que tuviera una estabilidad superior y un cátodo de GDE con una transferencia de masa de CO2 mejorada. El despliegue de fuentes de energía renovables requerirá la aparición de nuevas tecnologías. La celda de flujo fotoelectroquímica desarrollada en este trabajo permite almacenar energía de fuentes eléctricas intermitentes (como la eólica y la solar) de forma sostenible. Esto podría allanar el camino para la comercialización de este proceso y el avance hacia una economía circular basada en el CO2.

La eficiencia típica de las plantas se sitúa en torno al 0,1-0,2 %. El principal interés de este trabajo reside en demostrar cómo un dispositivo fotoelectroquímico puede convertir CO₂ de forma continua, obteniendo un rendimiento superior a la capacidad de la fotosíntesis biológica: una prueba de concepto de fotosíntesis artificial aplicable a la industria. Las reacciones estudiadas son la reducción de CO₂ a HCOO– (formiato cuyo precio por tonelada métrica ronda actualmente los 1000 €, con un incremento anual del 2 %) y su reacción complementaria, la oxidación de H₂O a O₂. Dado que ambas reacciones son procesos endotérmicos, el consumo energético debe minimizarse y suministrarse mediante fuentes de energía renovables para aumentar la rentabilidad, como se muestra en este trabajo. Las empresas que buscan reducir su huella de carbono derivada de plásticos y combustibles sin sacrificar la rentabilidad de los productos convencionales podrían ser el grupo de interés. Podemos crear estos productos bajos en carbono a partir de cualquier fuente de CO₂, pero las industrias petroquímica y cementera existentes (procesos de etileno, óxido de etileno y amoníaco) representan una atractiva fuente inicial de CO₂ debido a la pureza de sus emisiones. Solo en Europa, emiten 100 Mt de CO₂ puro al año, lo que deja 40 000 millones de dólares de valor potencial sin explotar y se exponen a futuros riesgos regulatorios. Además, ya cuentan con cadenas de suministro establecidas para los productos que podemos producir, como el formiato, un líquido estable y una mezcla de CO₂/H₂, un gas de síntesis para combustible sintético.

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