Electrorreducción de dióxido de carbono en fase gas para la producción de hidrocarburos

Resumen

La mitigación del cambio climático es uno de los principales retos a los que se enfrenta la sociedad en el siglo XXI debido al continuo aumento de la concentración de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera en las últimas décadas. Por otra parte, la elevada demanda energética y la dependencia de los combustibles fósiles para la síntesis de productos químicos, han puesto de manifiesto la necesidad de desarrollar tecnologías dirigidas hacia el empleo de energías renovables que permitan disminuir los efectos negativos del cambio climático. En este sentido, la electrorreducción de CO2 hacia hidrocarburos representa una alternativa atractiva para la síntesis de productos de alto interés industrial como metano (CH4) y etileno (C2H4), por lo que el estudio de esta tecnología ha aumentado en los últimos años. Sin embargo, las productividades y eficiencias reportadas hasta ahora son bajas, lo cual se asocia principalmente a las propias limitaciones del material catalítico. Únicamente materiales catalíticos basados en cobre (Cu) son capaces de convertir electroquímicamente el CO2 en hidrocarburos con productividades y eficiencias aceptables. En este contexto, la presente Tesis Doctoral se centra en 4 objetivos: i) análisis del estado del arte en reactores electroquímicos de membrana para la utilización de CO2; ii) estudio de la reacción de electrorreducción de CO2 en fase gas hacia hidrocarburos empleando nanopartículas de Cu en un reactor de tipo filtro-prensa; iii) análisis de la selectividad del proceso mediante la variación del tamaño de partícula; y iv) desarrollo de materiales bimetálicos basados en Cu para la reducción de CO2 en fase gas hacia hidrocarburos. En la primera parte de la Tesis, se diseña y se pone a punto el sistema experimental para llevar a cabo el proceso, y se desarrolla el método analítico para analizar hidrocarburos y compuestos gaseosos, así como subproductos en fase líquida. Por otra parte, se evalúa la viabilidad técnica del proceso empleando nanopartículas de Cu de 60-80 nm como material catalítico en una configuración de tipo ensamblaje membrana-electrodo, lo que incluye el estudio de la influencia de las condiciones de operación, como son el voltaje aplicado y la carga de catalizador. Además, se evalúa el efecto del soporte carbonoso y la posibilidad de humidificar la corriente de CO2. Se obtiene una productividad óptima de CH4 (4,4 μmol/m2s) a -2 V vs. Ag/AgCl y 0,5 mg/cm2 empleando el soporte carbonoso. La humidificación de la corriente de CO2 no supuso cambios destacables en la producción de CH4. La segunda parte de la Tesis se centra en el estudio de la selectividad de la reacción mediante la variación del tamaño de partícula (de 25 nm a 80 nm). La utilización de partículas más pequeñas (25 nm) ha permitido observar la formación de C2H4, con productividades (1148 μmol/m2s) y eficiencias (92,8 %) considerables a 7,5 mA/cm2. En cambio, el aumento de la densidad de corriente no supuso mejoras en el proceso, ya que el exceso de corriente se utilizó en la reacción de evolución de hidrógeno. La adición de una capa microporosa al electrodo de trabajo no implicó grandes variaciones en términos de productividad y eficiencia hacia etileno, aunque la relación C2H4/CH4 aumentó considerablemente, por lo que se determina que el uso de una capa microporosa implica conducir la reacción hacia especies más reducidas. Por otra parte, se desarrollan materiales bimetálicos (partículas de óxidos de Cu/ZnO y fibras huecas porosas basadas en Cu) con el objeto de mejorar los valores existentes en términos de productividad, selectividad y eficiencia. Los resultados obtenidos son prometedores, por lo que es necesario un continuo estudio de este tipo de materiales en procesos de valorización de CO2. Los resultados obtenidos en la presente Tesis Doctoral indican que el proceso de electrorreducción de CO2 en fase gas hacia hidrocarburos es viable a escala de laboratorio y presenta un gran potencial de mejora en términos de productividad, selectividad y eficiencia para su aplicación en el futuro.