Evaluación de electrodos basados en cobre para la obtención de alcoholes con alta eficiencia mediante la reducción electrocatalítica en continuo de CO2

Abstract

Ante la actual situación de emergencia climática, ha surgido un gran interés el desarrollo de tecnologías para controlar las emisiones de gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono (CO2). En este contexto, se destacan las tecnologías de captura, almacenamiento y utilización (CCUS, por sus siglas en inglés) de CO2, centrándose particularmente este trabajo en la conversión electroquímica de CO2 a productos de valor añadido, especialmente alcoholes debido a su potencial interés económico. Este proceso ha sido previamente estudiado por el grupo de investigación DePRO del Departamento de Ingenierías Química y Biomolecular de la Universidad de Cantabria, comenzando por la obtención de metano (CH4) y posteriormente dirigiéndose hacia la obtención de metanol (CH3OH) y etanol (C2H6O) utilizando cátodos basados principalmente en cobre (Cu) y óxidos de Cu. El presente Trabajo Fin de Máster se centra en el estudio de la electrorreducción de CO2 en un reactor de tipo filtro-prensa en continuo, empleando electrodos de Cu sintetizados mediante pulverización catódica (sputtering) con diferentes tiempos de deposición (Cu100, Cu200, Cu400, Cu600 y Cu800). El objetivo principal fue analizar la influencia de las características morfológicas del Cu sobre la selectividad y Eficiencia Faradaica (EF) hacia productoslíquidos oxigenados, en particular C2H6O y propanol (C3H8O). Los ensayos experimentales se realizaron a distintas densidades de corriente (j) en el rango de -45 a -200 mA·cm-2 , empleando una membrana aniónica Sustainion y una disolución 1M KOH como electrolito. Los resultados confirman que la morfología superficial del electrodo desempeña un papel determinante en su comportamiento catalítico. En este sentido, el electrodo Cu800, caracterizado por una superficie más rugosa y porosa, alcanzó EFs del 32,2% para C2H6O y 4,3% para C3H8O a 45 mA·cm-2 , destacando por su mayor actividad hacia la formación de productos oxigenados. Por otro lado, los electrodos Cu200 y Cu600 mostraron una mayor selectividad hacia etileno (C2H4), con EFs comprendidas entre 25 y 46% a -90 y -200 mA·cm-2 , lo que sugiere que superficies con rugosidad intermedia favorecen la desorción de CO y su acoplamiento en fase gaseosa. Los electrodos con menor desarrollo estructural (como Cu400) evidenciaron una tendencia hacia productos C1, indicando una menor capacidad para promover rutas multielectrónicas. Asimismo, se observó que la j aplicada afecta significativamente la distribución de productos: a bajas corrientes predomina la reacción de evolución de hidrógeno (HER, por sus siglas en inglés), mientras que a corrientes intermedias (-45 y -90 mA·cm-2 ) se maximiza la producción de alcoholes. Sin embargo, a densidades elevadas (-200 mA·cm-2 ) se reduce la eficiencia global debido a limitaciones de transporte de CO2 y aumento de la caída óhmica. En conjunto, los resultados obtenidos demuestran que la electrorreducción de CO2 sobre electrodos de Cu poroso constituye una vía prometedora para la síntesis de compuestos C2+ con potencial valor industrial. Además, el uso del reactor de filtro prensa en continuo permitió operar bajo condiciones estables y reproducibles, lo que representa un avance relevante hacia la escalabilidad del proceso. Como perspectiva futura, se propone profundizar en la producción selectiva de etileno (C2H4) y evaluar el efecto de nuevas membranas iónicas distintas a Sustainion para optimizar el rendimiento global del sistema.

Given the current climate emergency, there is growing interest in developing technologies aimed at controlling greenhouse gas emissions, particularly carbon dioxide (CO2). In this context, CO2 capture, storage, and utilization (CCUS) technologies have emerged as key strategies. This work focuses specifically on the electrochemical conversion of CO2 into value added products, with special attention to alcohols due to their potential economic relevance. This process has been previously investigated by the DePRO research group from the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at the University of Cantabria, initially focusing on methane (CH4) production and later advancing toward the synthesis of methanol (CH3OH) and ethanol (C2H6O) using cathodes based on copper (Cu) and Cu oxides. The present Master’s Thesis focuses on the study of CO2 electroreduction in a continuous filter press reactor, employing Cu electrodes synthesized by magnetronsputtering with different deposition times (Cu100, Cu200, Cu400, Cu600, and Cu800). The main objective was to analyze the influence of the Cu morphological characteristics on selectivity and Faradaic Efficiency (FE) toward oxygenated liquid products, particularly ethanol (C2H6O) and propanol (C3H8O). Experimental tests were carried out at different current densities (j) in the range of -45 to -200 mA·cm-2 , using a Sustainion anion-exchange membrane and a 1 M KOH aqueous solution as the electrolyte. The results confirm that the surface morphology of the electrode plays a crucial role in its catalytic behavior. In this regard, the Cu800 electrode, characterized by a rougher and more porous surface, achieved FEs of 32.2% for C2H6O and 4.3% for C3H8O at 45 mA·cm-2 , standing out for its higher activity toward oxygenated products. Conversely, Cu200 and Cu600 electrodes exhibited greater selectivity toward ethylene (C2H4), with FEs ranging from 25 to 46% at -90 and -200 mA·cm-2 , suggesting that surfaces with intermediate roughness favor CO desorption and gas-phase coupling. Electrodes with less developed structures (such as Cu400) showed a higher tendency toward C1 products, indicating a lower ability to promote multi-electron pathways. Furthermore, the applied current density was found to significantly affect product distribution: at low currents, the hydrogen evolution reaction (HER) dominates, while at intermediate currents (-45 and -90 mA·cm-2 ) alcohol production is maximized. However, at higher current densities (-200 mA·cm-2 ), the overall efficiency decreases due to CO2 mass transport limitations and increased ohmic losses. Overall, the results demonstrate that CO2 electroreduction on porous Cu electrodes represents a promising pathway for the synthesis of C2+ compounds with potential industrial value. In addition, the use of a continuous filter-press reactor allowed operation under stable and reproducible conditions, representing a significant step toward process scalability. As a future perspective, it is proposed to further investigate the selective production of ethylene (C2H4) and to assess the effect of alternative ion-exchange membranes to Sustainion, aiming to optimize the overall performance of the system.