Conversión fotoelectroquímica de CO2 hacia alcoholes empleando fotocátodos basados en geles metal-orgánicos de Cu-Ce

Abstract

La concentración de CO2 en la atmósfera continúa aumentando cada año, alcanzando niveles récord (419,3 de media global en 2023), principalmente debido a la quema de combustibles fósiles. Ante esta situación, es crucial desarrollar procesos que puedan mitigar el impacto negativo del CO2 en el planeta y explorar nuevas fuentes de energía sostenibles. La utilización de CO2 se posiciona como una técnica clave para abordar este desafío en línea con el cumplimiento de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), más concretamente con el Objetivo 7: “Energía asequible y no contaminante”, Objetivo 12: “Garantizar modalidades de consumo y producción sostenibles” y el Objetivo 13: “Tomar medidas urgentes para combatir el cambio climático y sus impactos”. En este contexto, la economía circular emerge como un marco esencial para promover la reutilización de residuos y fomentar un uso más eficiente de los recursos naturales. Dentro de las diversas vías para la conversión de CO2, la fotoelectro-reducción (PEC, por sus siglas en inglés) destaca como una tecnología prometedora para mitigar los efectos del cambio climático mediante la generación de productos útiles a partir de CO2 con la ayuda de la energía solar. La conversión PEC de CO2 puede dar lugar a una variedad de productos, desde combustibles hasta materias primas para la industria química como alcoholes o formiato, ofreciendo un potencial significativo para abordar los desafíos energéticos y ambientales actuales. Este trabajo se centra en la fotoelectro-reducción de CO2 hacia alcoholes (metanol y etanol) a través de la preparación de fotocátodos basados en geles metal-orgánicos innovadores basados en Cu, Ce y Cu-Ce, con alta absorción de luz visible/solar, con el objetivo de evaluar el efecto de la composición del fotocátodo en la productividad y selectividad de la reacción. Dichos fotoelectrodos se fabrican empleando una técnica automatizada de deposición basada en spray pirólisis, que permite una fabricación de superficies altamente reproducible. La celda fotoelectroquímica utilizada consiste en un electrolizador dividido de tipo filtro-prensa iluminado con luz visible (mediante luces LED) con una configuración fotocátodo-ánodo, empleando una placa de Pt como ánodo a oscuras. Se llevan a cabo diferentes experimentos de caracterización de los fotocátodos, incluyendo potenciometrías y voltametrías cíclicas (actividad con luz y a oscuras) con el propósito de determinar el fotocátodo óptimo. Posteriormente, el fotocátodo óptimo se integra en la celda PEC para llevar a cabo la reducción de CO2 en continuo, evaluando la producción y eficiencia de la reacción hacia alcoholes y formiato

The concentration of CO2 in the atmosphere continues to rise each year, reaching record levels (419.3 global average in 2023), mainly due to the burning of fossil fuels. In light of this situation, it is crucial to develop processes that can mitigate the negative impact of CO2 on the planet and explore new sustainable energy sources. CO2 utilization is emerging as a key technique to address this challenge in line with the fulfillment of the Sustainable Development Goals (SDGs), specifically Goal 7: "Affordable and Clean Energy," Goal 12: "Ensure sustainable consumption and production patterns," and Goal 13: "Take urgent action to combat climate change and its impacts." In this context, the circular economy emerges as an essential framework to promote waste reuse and encourage a more efficient use of natural resources. Among the various pathways for CO2 conversion, photoelectrochemical reduction (PEC) stands out as a promising technology to mitigate the effects of climate change by generating useful products from CO2 with the help of solar energy. PEC CO2 conversion can lead to a variety of products, ranging from fuels to raw materials for the chemical industry, such as alcohols or formate, offering significant potential to address current energy and environmental challenges. This work focuses on the photoelectrochemical reduction of CO2 to alcohols (methanol and ethanol) through the preparation of innovative metal-organic gel-based photocathodes using Cu, Ce, and Cu-Ce, with high visible/solar light absorption. The objective is to evaluate the effect of the photocathode composition on the productivity and selectivity of the reaction. These photoelectrodes are fabricated using an automated spray pyrolysis deposition technique, allowing for highly reproducible surface fabrication. The photoelectrochemical cell used consists of a filter-press-type divided electrolyzer illuminated with visible light (via LED lights) in a photocathode-anode configuration, employing a Pt plate as a dark anode. Various experiments for photocathode characterization are conducted, including potentiometry and cyclic voltammetry (both with and without light), to determine the optimal photocathode. Subsequently, the optimal photocathode is integrated into the PEC cell to perform continuous CO2 reduction, evaluating the reaction's production and efficiency towards alcohols and formate