Utilización de CO2 por vía electroquímica: desarrollo de un proceso en continuo para la obtención de formiato con alta eficiencia | Electrochemical CO2 utilization: development of a continuous process for obtaining formate with high efficiency

RESUMEN: Las estrategias de captura, almacenamiento y utilización de CO₂ actualmente, se presentan como opciones prometedoras para reducir las emisiones de CO₂ a la atmosfera y, por lo tanto, mitigar el cambio climático. En particular, la reducción electroquímica de CO₂ a ácido fórmico o formiato está cobrando cada vez un mayor interés, ya que permite almacenar los excedentes de fuentes de energía renovables e intermitentes en forma de productos químicos de alto valor añadido. En este contexto, el principal objetivo de esta tesis es desarrollar un proceso en continuo de electroreducción de CO₂ a formiato con alta eficiencia en un reactor de tipo filtro prensa. Para ello, se han empleado catalizadores de distinta naturaleza en el cátodo: estaño y bismuto, y en diferente configuración de electrodo: electrodos de difusión de gases (GDEs, por sus siglas en inglés) y electrodos de membrana recubiertos de catalizador (CCMEs, por sus siglas en inglés). Además, se ha estudiado la influencia de la configuración del reactor electroquímico, consiguiendo uno de los mejores compromisos entre las figuras de mérito reportados en la literatura en términos de concentración de formiato, Eficiencia Faradaica y consumo energético de 340 g·L-¹, 89 % y 180 kWh·kmol-¹, respectivamente. Igualmente, se ha analizado la influencia del tipo de membrana de intercambio iónico, así como la actividad de nuevos materiales en el ánodo, tanto comerciales como sintetizados, basados en níquel.

ABSTRACT: Carbon dioxide capture, storage, and utilization approaches are currently presented as promising strategies to reduce CO₂ emissions to the atmosphere and, therefore, to mitigate climate change. In particular, the electrochemical reduction of CO₂ to formic acid or formate is gaining attention since it allows the storage of energy from renewable and intermittent sources in the form of high value-added chemicals. In this context, the main objective of this thesis is to develop a continuous process for the electrocatalytic reduction of CO₂ to formate with high efficiency in a filter press reactor. For this purpose, catalysts of diverse nature have been employed in the cathode: tin and bismuth, and in different electrode configurations: gas diffusion electrodes (GDEs) and catalyst-coated membrane electrodes (CCMEs). Besides, the influence of the electrochemical reactor configuration, achieving one of the best trade-off between the figures of merit reported previously in the literature in terms of formate concentration, Faradaic Efficiency and energy consumption of 340 g·L-¹, 89 % y 180 kWh·kmol-¹, respectively. Moreover, the kind of the ionic exchange membrane has been evaluated as well as the activity of innovative nicked-based materials in the anode, both commercial and synthesized.

Esta Tesis Doctoral ha sido desarrollada en el grupo de investigación “Desarrollo de Procesos Químicos y Control de Contaminantes” (DePRO) del Departamento de Ingenierías Química y Biomolecular de la Universidad de Cantabria. Además, este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades a través del proyecto CTQ2016-76231-C2-1-R “Diseño multiescala de procesos de captura y utilización de dióxido de carbono” y por el Ministerio de Ciencia e Innovación a través del proyecto PID2019-108136RB-C31 “Optimización de captura de CO2 con membranas y procesos de utilización para acoplar la electrovalorización de CO2 a oxidaciones relevantes bajo criterios de sostenibilidad” .