Photoelectrochemical reduction of CO2 using a continuous membrane reactor

Abstract

La presente Tesis Doctoral tiene como objetivo establecer un proceso que permita reducir los sobrepotenciales requeridos en el proceso de conversión electroquímica de CO2 mediante el uso directo de la luz. Se realiza en primer lugar una exhaustiva revisión del estado del arte en fotoelectroreducción de CO2, donde destaca la configuración de reactor de fotoánodo-cátodo a oscuras por su potencial para mejorar la eficiencia energética del proceso. Posteriormente, se diseña y construye un sistema experimental para llevar a cabo la conversión en continuo de CO2, logrando eficiencias Faradaicas del 16,2% y 23,2%, así como eficiencias energéticas del 5,2% y 6,8%, para metanol y etanol, respectivamente. Este sistema emplea una celda fotoelectroquímica con un fotoánodo basado en TiO2 comercial (P25) en configuración de ensamblaje electrodo-membrana (MEA, por sus siglas en inglés) iluminado con luz LED UV, junto con una placa de Cu como cátodo. Tras estos desarrollos, se propone la síntesis y empleo de nanopartículas de TiO2 sintetizadas en medio supercrítico para mejorar la eficiencia del proceso, logrando eficiencias Faradaicas del 15,3% y 46,6%, así como eficiencias energéticas del 5,0% y 14,0%, para metanol y etileno, respectivamente, representando un avance significativo en el rendimiento global del sistema. Estos resultados superan los resultados reportados hasta la fecha en sistemas fotoelectroquímicos en configuración de fotoánodo-cátodo a oscuras.

The present Doctoral Thesis aims to establish a process that enables the reduction of the required overpotential in the electrochemical conversion of CO2 through direct light utilization. First, an exhaustive review of the state-of-the-art in photoelectroreduction of CO2 is conducted, highlighting the dark photoanode-cathode reactor configuration for its potential to enhance the energy efficiency of the process. Subsequently, an experimental system is designed and constructed to perform the continuous CO2 conversion, achieving Faradaic efficiencies of 16.2% and 23.2%, as well as energy efficiencies of 5.2% and 6.8%, for methanol and ethanol, respectively. This system utilizes a photoelectrochemical cell with a commercially available TiO2 photoanode (P25) in an electrode-membrane assembly (MEA) configuration, illuminated with UV LED light, accompanied by a Cu plate as the cathode. Following these developments, the synthesis and application of TiO2 nanoparticles, synthesized in a supercritical medium, are proposed to enhance process efficiency. This results in Faradaic efficiencies of 15.3% and 46.6%, along with energy efficiencies of 5.0% and 14.0%, for methanol and ethylene, respectively. This represents a significant advancement in the overall performance of the system. Notably, these results surpass those reported to date in photoelectrochemical systems with a dark photoanode-cathode configuration.