De las moléculas a los módulos: vías hacia la reducción electroquímica escalable de CO2

Área de la Ciencia:

• Electroquímica y catálisis para la producción sostenible de energía y productos químicos.
• Ciencia y ingeniería de materiales para el diseño avanzado de electrodos.
• Ingeniería química para la ampliación de procesos y la aplicación industrial.

Sus antecedentes:

• El logro de la neutralidad de carbono requiere tecnologías robustas de captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS).
• La reducción electroquímica de dióxido de carbono (CO2R) ofrece una vía para convertir el CO2 y el agua en combustibles utilizando electricidad renovable.
• Las tecnologías actuales de CO2R a escala de laboratorio enfrentan desafíos en la escalabilidad, el desarrollo de catalizadores, la comprensión de los fenómenos de transporte y el diseño de electrolizadores.

Objetivo del estudio:

• Describir las metodologías químicas y de ingeniería para el avance del CO2R a gran escala.
• Para cerrar la brecha de conocimiento entre la comprensión a nivel molecular y la ingeniería de procesos para la ampliación de CO2R.
• Proporcionar una hoja de ruta para el desarrollo de tecnologías CO2R viables desde el punto de vista técnico-económico.

Principales métodos:

• Utilizó redes neuronales basadas en descriptores para el cribado racional y el diseño de electrocatalizadores de alto rendimiento (aleaciones y sitios de un solo átomo).
• Se emplean técnicas avanzadas de recubrimiento y fabricación para capas de catalizadores duraderos en electrodos de difusión de gases (EDG).
• Requisitos de diseño de dispositivos desarrollados para la electrólisis de CO2 a presión y temperatura elevadas para hacer frente a los desafíos de ampliación.

Principales resultados:

• Se ha demostrado la reactividad personalizada de catalizadores de diseño racional mediante el cribado de redes neuronales.
• Mejora del rendimiento de los electrodos mediante la gestión de las resistencias interfaciales y el control de los equilibrios gas-líquido en los GDE.
• Principios de diseño propuestos para electrolizadores capaces de convertir el CO2 de manera eficiente y a gran escala.

Conclusiones:

• La integración de conocimientos moleculares fundamentales con el diseño de procesos rigurosos es fundamental para el CO2R industrial.
• El diseño avanzado de catalizadores y la fabricación de electrodos son esenciales para sistemas de CO2R eficientes y duraderos.
• Abordar los fenómenos de transporte y el diseño del electrolizador es clave para ampliar la tecnología CO2R para los objetivos de neutralidad de carbono.