Gas-phase carbon dioxide electroreduction for the production of hydrocarbons

RESUMEN: La mitigación del cambio climático representa uno de los principales retos a los que se enfrenta la humanidad. En este contexto, la electrorreducción de CO2 hacia hidrocarburos representa una solución prometedora para disminuir la dependencia de los combustibles fósiles utilizados en la síntesis de productos químicos, ayudando, al mismo tiempo, a mantener el CO2 en un ciclo neutro en carbono. Existen, sin embargo, desafíos importantes para que esta tecnología pueda ser de aplicación, principalmente relacionados con el material catalítico. La presente tesis tiene como objetivo el diseño, puesta a punto y aplicación de un sistema experimental a escala de laboratorio para la valorización electroquímica de CO2 en fase gas hacia hidrocarburos en modo continuo. De este modo, se lleva a cabo un análisis del estado del arte para la valorización de CO2 en reactores electroquímicos de membrana, se diseña y pone a punto un sistema experimental para evaluar la producción de hidrocarburos en una celda de tipo filtro prensa, se estudia la reacción empleando nanopartículas de Cu como material catalítico y diferentes condiciones de operación, se evalúa la selectividad del proceso mediante la variación del tamaño de partícula y se desarrollan materiales bimetálicos basados en Cu para mejorar el proceso electrocatalítico.ABSTRACT: The mitigation of climate change represents one of the main challenges for humankind. In this context, the electrochemical CO2 reduction to hydrocarbons represents a promising solution to reduce the reliance on fossil fuels for the synthesis of chemicals, helping to recycle CO2 at the same time. There are, however, important challenges for the applicability of this technology, which are mainly related to the catalytic material. The aim of this PhD Thesis is the design, set-up and application of an experimental system at laboratory scale for the electrochemical gas-phase CO2 valorization to hydrocarbons in continuous mode. Thus, an analysis of the state of the art on electrochemical membrane reactors for CO2 utilization is carried out. In addition, the design and set-up of an experimental system to evaluate the production of hydrocarbons in a filter-press type cell is performed. Moreover, the reaction is studied using Cu nanoparticles as catalytic material and different operating conditions. The selectivity of the process is also evaluated by varying particle size. Finally, the development of Cu-based bimetallic materials is carried out to enhance the electrocatalytic process.Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad de España a través de los proyectos CTQ2013-48280-C3-1-R “Desarrollo e Integración de Procesos con Membranas para la Captura y Valorización de Dióxido de Carbono” y CTQ2016-76231-C2-1-R “Diseño multiescala de procesos de captura y utilización de dióxido de carbono” . Durante la ejecución del presente trabajo, su autor, Iván Merino García, ha disfrutado de un contrato predoctoral para la formación de doctores del Ministerio de Economía y Competitividad de España concedido por resolución de 16 de marzo de 2015, con referencia BES-2014-070081. Asimismo, Iván Merino García ha disfrutado de una ayuda a la movilidad predoctoral para la realización de estancias breves en centros de I+D, convocatoria 2016 del Ministerio de Economía y Competitividad de España concedida por resolución de 7 de junio de 2017, con referencia EEBB-I-17-12382, para la realización de una estancia de tres meses de duración en la University of Twente (Países Bajos). Por todo ello, expresamos nuestro más sincero agradecimiento hacia la institución financiadora