Desarrollo de electrodos recubiertos de membrana para la electrorreducción de CO2 en medio alcalino | Development of membrane coated electrodes for the electroreduction of CO2 in alkaline media

RESUMEN: Las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes de distintas actividades industriales 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).

ABSTRACT: 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.

Esta tesis ha sido elaborada 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. El trabajo de investigación realizado ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación a través de los proyectos CTQ2016-76231-C2-1-R “Diseño multiescala de procesos de captura y utilización de dióxido de carbono” y 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”. Además, el autor de esta tesis, Aitor Marcos Madrazo, ha disfrutado de un contrato predoctoral para la formación de personal investigador (FPI) del Ministerio de Ciencia e Innovación, con referencia BES-2017-080795. Este contrato incluía una ayuda para la movilidad que permitió al autor realizar una estancia breve en el Fraunhofer IGB (Alemania). Por todo ello, queremos expresar nuestro más sincero agradecimiento a las mencionadas instituciones y entidades.