Fabricación de electrodos de difusión de gases a partir de materiales derivados de la biomasa residual para la electrorreducción de CO₂ a formiato

Abstract

El cambio climático, impulsado por actividades antropogénicas como la combustión de combustibles fósiles, es un problema global urgente, siendo las emisiones de gases de efecto invernadero uno de los principales factores contribuyentes. Para abordar esta cuestión, las Naciones Unidas han establecido como objetivo reducir las emisiones en un 43% para 2030, buscando mantener el aumento de la temperatura global por debajo de 1,5°C. Una de las estrategias clave para mitigar las emisiones de CO₂ es la Captura y Utilización de Carbono (CCU), que se centra en convertir el CO₂ en productos de alto valor añadido mediante tecnologías neutras en carbono, impulsadas por energía renovable. La reducción electroquímica de CO₂ es un método especialmente prometedor, ya que no solo reduce las emisiones de CO₂, sino que también produce productos de alto valor añadido, como el ácido fórmico o formiato. Los Electrodos de Difusión de Gases (GDE), que constan de un soporte carbonoso, una capa microporosa (MPL) y una capa catalítica, son ampliamente utilizados en este proceso. Aunque la capa catalítica ha sido ampliamente estudiada, la MPL desempeña un papel crucial al prevenir la inundación y mejorar el contacto entre el CO₂ y el catalizador. Tradicionalmente, la MPL está compuesta de negro de carbono, derivado de hidrocarburos procedentes del petróleo, por lo que su uso plantea riesgos ambientales y para la salud. Este Trabajo Fin de Máster estudia la viabilidad de la fabricación de electrodos GDE para la electrorreducción de CO2 hacia formiato con materiales sintetizados por el grupo de investigación ITQUIMA de la Universidad de Castilla la Mancha a partir de la valorización de la biomasa orgánica residual, derivada del proceso de fitorremediación, para crear una MPL sostenible con el medio ambiente. Estos materiales se sintetizaron a partir de tres especies lignocelulósicas "Phragmites australis”, “Cladium mariscus”, y “Typha domingensis” mediante carbonización hidrotermal, seguida de pirolización o activación química. Estos materiales derivados de la biomasa han mostrado un buen rendimiento en la generación de H₂O₂ y por esa razón, se ha visto que pueden tener un gran potencial para ser utilizados en la reducción electroquímica de CO₂. Debido a las dificultades observadas en la deposición de materiales derivados de biomasa residual utilizando la técnica de aerografía, se propuso como alternativa la deposición a vacío. Esta técnica permite una deposición más homogénea y controlada de los materiales que constituyen los electrodos GDE, mejorando tanto la estabilidad como la degradabilidad de los mismos, además de reducir la variabilidad en los resultados obtenidos. La implementación de esta técnica innovadora fue validada satisfactoriamente al comparar los resultados obtenidos en el proceso de electrorreducción de CO2, utilizando Vulcan XC-72R como material de la MPL depositado mediante aerografía y deposición a vacío. En particular, se determinó que la proporción ideal es una mezcla al 50% de materiales derivados de biomasa residual y Vulcan XC-72R. Con esta combinación, se alcanzó una concentración de formiato de 1,8 g·L⁻¹ a una densidad de corriente de 90 mA·cm⁻², junto con una eficiencia farádica cercana al 80%. Además, el consumo energético fue ligeramente inferior en comparación con el uso exclusivo de Vulcan XC-72R. En conclusión, los materiales derivados de biomasa, al mezclarse en una proporción óptima con Vulcan XC-72R, ofrecen una alternativa sostenible al uso del negro de carbono tradicional. Esta combinación no solo mejora el rendimiento electroquímico en la reducción de CO₂ a formiato, sino que también contribuye a la remediación ambiental y a la mitigación del cambio climático.

Climate change, driven by anthropogenic activities like fossil fuel combustion, is a pressing global issue, with greenhouse gas emissions being a major contributor. To address this, the United Nations aims to reduce emissions by 43% by 2030, seeking to limit global temperature rise below 1.5°C. One of the key strategies for mitigating CO₂ emissions is Carbon Capture and Utilization (CCU), which focuses on converting CO₂ into valuable chemicals through carbon neutral technologies powered by renewable energy. The electrochemical reduction of CO₂ is a particularly promising method, as it not only reduces CO₂ emissions but also produces value-added products like formic acid or formate. Gas Diffusion Electrodes (GDEs), which consist of a carbonaceous support, a microporous layer (MPL), and a catalytic layer, are widely used in this process. While the catalytic layer has been extensively studied, the MPL plays a critical role in preventing flooding and improving the contact between CO₂ and the catalyst. Traditionally, the MPL is made from carbon black, a material derived from petroleum hydrocarbons, which poses environmental and health risks. This Master's Thesis explores the feasibility of fabricating GDEs for the electroreduction of CO₂ to formate using materials synthesized by the ITQUIMA research group at the University of Castilla-La Mancha from valorized organic residual biomass derived from the phytoremediation process, aiming create a sustainable MPL. These materials were synthesized from three lignocellulosic species: Phragmites australis, Cladium mariscus, and Typha domingensis via hydrothermal carbonization, followed by pyrolysis or chemical activation. These biomass-derived materials have shown good performance in the generation of H₂O₂, and for that reason, they are considered to have great potential for use in the electrochemical reduction of CO₂ Due to challenges observed in the deposition of biomass-derived materials using airbrushing techniques, vacuum deposition was proposed as an alternative. This technique allows for a more homogeneous and controlled deposition of the materials that form the GDEs, improving both their stability and degradability, while reducing variability in the results. The implementation of this innovative technique was successfully validated by comparing the results obtained in the CO₂ electroreduction process, using Vulcan XC-72R as the MPL material deposited via airbrushing and vacuum deposition. Specifically, it was determined that the optimal composition is a 50% mixture of biomass-derived materials and Vulcan XC-72R. With this combination, a formate concentration of 1.8 g·L⁻¹ was achieved at a current density of 90 mA·cm⁻², along with a faradaic efficiency close to 80%. Additionally, energy consumption was slightly lower compared to using Vulcan XC-72R exclusively. In conclusion, biomass-derived materials, when optimally mixed with Vulcan XC-72R, offer a sustainable alternative to the traditional use of carbon black. This combination not only enhances electrochemical performance in the reduction of CO₂ to formate but also contributes to environmental remediation and climate change mitigation.