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Reducción electroquímica del dióxido de carbono

La reducción electroquímica del dióxido de carbono , también conocida como CO2RR , es la conversión del dióxido de carbono ( CO2 ) en especies químicas más reducidas mediante el uso de energía eléctrica. Representa un paso potencial en el amplio esquema de captura y utilización del carbono . [1]

El CO2RR puede producir diversos compuestos, incluidos el formato (HCOO - ) , el monóxido de carbono (CO) , el metano (CH 4 ) , el etileno (C 2 H 4 ) y el etanol (C 2 H 5 OH) . [2] Los principales desafíos son el costo relativamente alto de la electricidad (en comparación con el petróleo) y que el CO 2 a menudo está contaminado con O 2 y debe purificarse antes de la reducción.

Los primeros ejemplos de CO2RR datan del siglo XIX, cuando el dióxido de carbono se redujo a monóxido de carbono utilizando un cátodo de zinc . La investigación en este campo se intensificó en la década de 1980 tras los embargos de petróleo de la década de 1970. En 2021, varias empresas están desarrollando la reducción electroquímica del dióxido de carbono a escala piloto, entre ellas Siemens [3] , Dioxide Materials [ 4] [5] Twelve y GIGKarasek. Recientemente se realizó el análisis tecnoeconómico para evaluar las principales lagunas técnicas y el potencial comercial de la tecnología de electrólisis del dióxido de carbono en condiciones cercanas a la temperatura ambiente. [6] [7]

Productos químicos derivados del dióxido de carbono

En la fijación del carbono , las plantas convierten el dióxido de carbono en azúcares, a partir de los cuales se originan muchas vías biosintéticas. El catalizador responsable de esta conversión, RuBisCO , es la proteína más común. Algunos organismos anaeróbicos emplean enzimas para convertir el CO2 en monóxido de carbono , a partir del cual se pueden fabricar ácidos grasos. [8]

En la industria, algunos productos se fabrican a partir de CO 2 , incluyendo urea , ácido salicílico , metanol y ciertos carbonatos inorgánicos y orgánicos. [9] En el laboratorio, el dióxido de carbono se utiliza a veces para preparar ácidos carboxílicos en un proceso conocido como carboxilación . Un electrolizador electroquímico de CO 2 que funciona a temperatura ambiente todavía no se ha comercializado. Las celdas electrolizadoras de óxido sólido de temperatura elevada (SOEC) para la reducción de CO 2 a CO están disponibles comercialmente. Por ejemplo, Haldor Topsoe ofrece SOEC para la reducción de CO 2 con un reportado 6-8 kWh por Nm 3 [nota 1] de CO producido y pureza de hasta 99,999% de CO. [10]

Electrocatálisis

La reducción electroquímica del dióxido de carbono a diversos productos se describe habitualmente como:

Los potenciales redox para estas reacciones son similares a los de la evolución del hidrógeno en electrolitos acuosos, por lo que la reducción electroquímica de CO 2 suele ser competitiva con la reacción de evolución del hidrógeno . [2]

Los métodos electroquímicos han ganado una atención significativa:

  1. a presión ambiente y temperatura ambiente;
  2. en relación con las fuentes de energía renovables (véase también combustible solar )
  3. La controlabilidad competitiva, la modularidad y la ampliación son relativamente simples. [12]

La reducción electroquímica o conversión electrocatalítica del CO2 puede producir productos químicos de valor añadido, como metano, etileno, etanol, etc., y los productos dependen principalmente de los catalizadores seleccionados y de los potenciales de funcionamiento (aplicando voltaje de reducción). Se han evaluado diversos catalizadores homogéneos y heterogéneos [13] . [14] [2]

Se supone que muchos de estos procesos funcionan a través de la intermediación de complejos de dióxido de carbono y metal . [15] Muchos procesos sufren de alto sobrepotencial, baja eficiencia de corriente, baja selectividad, cinética lenta y/o mala estabilidad del catalizador. [16]

La composición del electrolito puede ser decisiva. [17] [18] [19] Los electrodos de difusión de gas son beneficiosos. [20] [21] [22]

Catalizadores

Los catalizadores se pueden agrupar por sus productos primarios. [14] [23] [24] Varios metales no son aptos para la reducción de CO2 porque promueven la evolución del hidrógeno en su lugar. [25] Los electrocatalizadores selectivos para un compuesto orgánico particular incluyen estaño o bismuto para formiato y plata u oro para monóxido de carbono . El cobre produce múltiples productos reducidos como metano , etileno o etanol , mientras que metanol , propanol y 1-butanol también se han producido en cantidades mínimas. [26]

Tres productos comunes son el monóxido de carbono , el formato o productos de carbono de orden superior (dos o más carbonos). [27]

Productor de monóxido de carbono

El monóxido de carbono se puede producir a partir de CO2RR sobre diversos catalizadores de metales preciosos. [28] El acero ha demostrado ser uno de esos catalizadores., [29] o hidrógeno. [30]

Mecánicamente, el monóxido de carbono surge del metal unido al carbono del CO2 ( ver ácido metalacarboxílico ). El oxígeno se pierde en forma de agua. [31]

Productor de formato/ácido fórmico

El ácido fórmico se produce como producto primario a partir de CO 2 RR mediante diversos catalizadores. [32]

Los catalizadores que promueven la producción de ácido fórmico a partir de CO2 funcionan uniéndose fuertemente a ambos átomos de oxígeno del CO2 , lo que permite que los protones ataquen el carbono central. Después de atacar el carbono central, un protón que se une a un oxígeno da como resultado la creación de formato. [31] Los catalizadores de indio promueven la producción de formato porque la energía de enlace indio-oxígeno es más fuerte que la energía de enlace indio-carbono. [33] Esto promueve la producción de formato en lugar de monóxido de carbono.

do>1- producción de catalizadores

Los electrocatalizadores de cobre producen compuestos multicarbonados a partir de CO2 . Estos incluyen productos C2 ( etileno , etanol , acetato , etc.) e incluso productos C3 ( propanol, acetona, etc.) [34] Estos productos son más valiosos que los productos C1, pero las eficiencias actuales son bajas. [35]

Véase también

Notas

  1. ^ Metro cúbico normal: la cantidad de gas que ocupa un metro cúbico a temperatura y presión estándar .

Referencias

  1. ^ "¿Sueño o realidad? La electrificación de las industrias de procesos químicos". www.aiche-cep.com . Consultado el 22 de agosto de 2021 .
  2. ^ abc Appel AM, Bercaw JE, Bocarsly AB, Dobbek H, DuBois DL, Dupuis M, et al. (agosto de 2013). "Fronteras, oportunidades y desafíos en la catálisis bioquímica y química de la fijación de CO2". Chemical Reviews . 113 (8): 6621–58. doi :10.1021/cr300463y. PMC 3895110 . PMID  23767781. 
  3. ^ "El CO2 se convierte en materia prima". Sitio web global de siemens-energy.com . Archivado desde el original el 2021-07-09 . Consultado el 2021-07-04 .
  4. ^ "Electrolizadores de CO2 con rendimiento récord". Materiales de dióxido de carbono . Consultado el 4 de julio de 2021 .
  5. ^ Masel, Richard I.; Liu, Zengcai; Yang, Hongzhou; Kaczur, Jerry J.; Carrillo, Daniel; Ren, Shaoxuan; Salvatore, Danielle; Berlinguette, Curtis P. (2021). "Una perspectiva industrial sobre catalizadores para electrólisis de CO 2 a baja temperatura". Nature Nanotechnology . 16 (2): 118–128. Bibcode :2021NatNa..16..118M. doi :10.1038/s41565-020-00823-x. ISSN  1748-3395. OSTI  1756565. PMID  33432206. S2CID  231580446.
  6. ^ Jouny, Matthew; Luc, Wesley; Jiao, Feng (14 de febrero de 2018). "Análisis técnico-económico general de sistemas de electrólisis de CO2". Investigación en química industrial e ingeniería . 57 (6): 2165–2177. doi :10.1021/acs.iecr.7b03514. ISSN  0888-5885. OSTI  1712664.
  7. ^ Shin, Haeun; Hansen, Kentaro U.; Jiao, Feng (octubre de 2021). "Evaluación técnico-económica de la electrólisis de dióxido de carbono a baja temperatura". Nature Sustainability . 4 (10): 911–919. Bibcode :2021NatSu...4..911S. doi :10.1038/s41893-021-00739-x. ISSN  2398-9629. S2CID  235801320.
  8. ^ Fontecilla-Camps JC, Amara P, Cavazza C, Nicolet Y, Volbeda A (agosto de 2009). "Relaciones estructura-función de metaloenzimas de procesamiento anaeróbico de gas". Nature . 460 (7257): 814–22. Bibcode :2009Natur.460..814F. doi :10.1038/nature08299. PMID  19675641. S2CID  4421420.
  9. ^ Susan Topham, "Dióxido de carbono" en Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH, Weinheim. doi :10.1002/14356007.a05_165
  10. ^ "Produzca su propio monóxido de carbono: in situ y a pedido". www.topsoe.com . Haldor Topsoe. Archivado desde el original el 28 de febrero de 2021.
  11. ^ Zhu D, Liu J, Qiao S (2016). "Avances recientes en electrocatalizadores heterogéneos inorgánicos para la reducción de dióxido de carbono". Materiales avanzados . 28 (18): 3423–3452. Bibcode :2016AdM....28.3423Z. doi : 10.1002/adma.201504766 . PMID  26996295.
  12. ^ Lee S, Lee J (febrero de 2016). "Construcción de electrodos de compuestos metálicos reducibles para lograr una conversión electroquímica de dióxido de carbono". ChemSusChem . 9 (4): 333–44. Bibcode :2016ChSCh...9..333L. doi :10.1002/cssc.201501112. PMID  26610065.
  13. ^ Hori Y (2008). "Reducción electroquímica de CO2 en electrodos metálicos". Aspectos modernos de la electroquímica . Vol. 42. págs. 89-80. doi :10.1007/978-0-387-49489-0_3. ISBN 978-0-387-49488-3.
  14. ^ ab Centi G, Perathoner S (2009). "Oportunidades y perspectivas en el reciclado químico de dióxido de carbono para combustibles". Catalysis Today . 148 (3–4): 191–205. doi :10.1016/j.cattod.2009.07.075.
  15. ^ Benson EE, Kubiak CP, Sathrum AJ, Smieja JM (enero de 2009). "Enfoques electrocatalíticos y homogéneos para la conversión de CO2 en combustibles líquidos". Chemical Society Reviews . 38 (1): 89–99. doi :10.1039/b804323j. PMID  19088968. S2CID  20705539.
  16. ^ Halmann MM, Steinberg M (mayo de 1998). Mitigación del dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero: ciencia y tecnología . CRC Press. ISBN 1-56670-284-4.
  17. ^ Li, Fengwang; et al. (2020). "Ajuste molecular de la conversión de CO2 a etileno". Nature . 577 (7791): 509–513. doi :10.1038/s41586-019-1782-2. PMID  31747679. S2CID  208217415.
  18. ^ Rosen BA, Salehi-Khojin A, Thorson MR, Zhu W, Whipple DT, Kenis PJ, Masel RI (noviembre de 2011). "Conversión selectiva de CO₂ a CO mediada por líquido iónico a bajos sobrepotenciales". Science . 334 (6056): 643–4. Bibcode :2011Sci...334..643R. doi : 10.1126/science.1209786 . PMID  21960532. S2CID  31774347.
  19. ^ Service RF (1 de septiembre de 2017). «Dos nuevas formas de convertir el dióxido de carbono «basura» en combustible». Revista Science . doi :10.1126/science.aap8497.
  20. ^ Thorson MR, Siil KI, Kenis PJ (2013). "Efecto de los cationes en la conversión electroquímica de CO 2 a CO". Revista de la Sociedad Electroquímica . 160 (1): F69–F74. doi : 10.1149/2.052301jes . ISSN  0013-4651. S2CID  95111100.
  21. ^ Lv JJ, Jouny M, Luc W, Zhu W, Zhu JJ, Jiao F (diciembre de 2018). "Un electrocatalizador de cobre altamente poroso para la reducción de dióxido de carbono". Materiales avanzados . 30 (49): e1803111. Bibcode :2018AdM....3003111L. doi :10.1002/adma.201803111. OSTI  1712663. PMID  30368917. S2CID  53093014.
  22. ^ Dinh CT, Burdyny T, Kibria MG, Seifitokaldani A, Gabardo CM, García de Arquer FP, et al. (mayo de 2018). "Electrorreducción de CO2 a etileno mediante catálisis de cobre mediada por hidróxido en una interfaz abrupta". Science . 360 (6390): 783–787. doi : 10.1126/science.aas9100 . PMID  29773749.
  23. ^ Qiao J, Liu Y, Hong F, Zhang J (enero de 2014). "Una revisión de catalizadores para la electrorreducción de dióxido de carbono para producir combustibles bajos en carbono". Chemical Society Reviews . 43 (2): 631–75. doi :10.1039/c3cs60323g. PMID  24186433.
  24. ^ Vayenas, Constantinos G.; Blanco, Ralph E.; Gamboa-Aldeco, María E., eds. (2008). Aspectos modernos de la electroquímica. vol. 42. doi :10.1007/978-0-387-49489-0. ISBN 978-0-387-49488-3.
  25. ^ Lin, Jiayi; Zhang, Yixiao; Xu, Pengtao; Chen, Liwei (1 de mayo de 2023). "Electrólisis de CO2: avances y desafíos en la ingeniería de electrocatalizadores y diseño de reactores". Materials Reports: Energy . Reducciones de CO2 en combustibles y materias primas de carbono (parte 2). 3 (2): 100194. doi : 10.1016/j.matre.2023.100194 . ISSN  2666-9358.
  26. ^ Ting LR, García-Muelas R, Martín AJ, Veenstra FL, Chen ST, Peng Y, et al. (noviembre de 2020). "Reducción electroquímica de dióxido de carbono a 1-butanol en cobre derivado de óxido". Angewandte Chemie . 59 (47): 21072–21079. doi :10.1002/anie.202008289. PMC 7693243 . PMID  32706141. 
  27. ^ Mok, Dong Hyeon; Li, Hong; Zhang, Guiru; Lee, Chaehyeon; Jiang, Kun; Back, Seoin (11 de noviembre de 2023). "Descubrimiento basado en datos de electrocatalizadores para la reducción de CO2 utilizando aprendizaje automático basado en motivos activos". Nature Communications . 14 (1): 7303. doi : 10.1038/s41467-023-43118-0 . ISSN  2041-1723. PMC 10640609 . PMID  37952012. 
  28. ^ Marcandalli, Giulia; Monteiro, Mariana CO; Goyal, Akansha; Koper, Marc TM (19 de julio de 2022). "Efectos de los electrolitos en la reducción electroquímica del CO 2 a CO". Accounts of Chemical Research . 55 (14): 1900–1911. doi :10.1021/acs.accounts.2c00080. ISSN  0001-4842. PMC 9301915 . PMID  35772054. 
  29. ^ "¿Qué papel desempeñan el coque y el carbón en la fabricación de acero? - Federal Steel Supply". 2016-06-22 . Consultado el 2023-11-21 .
  30. ^ "Producción de hidrógeno: reformado del gas natural". Energy.gov . Consultado el 21 de noviembre de 2023 .
  31. ^ ab Feaster, Jeremy T.; Shi, Chuan; Cave, Etosha R.; Hatsukade, Toru; Abram, David N.; Kuhl, Kendra P.; Hahn, Christopher; Nørskov, Jens K.; Jaramillo, Thomas F. (7 de julio de 2017). "Comprensión de la selectividad para la reducción electroquímica de dióxido de carbono a ácido fórmico y monóxido de carbono en electrodos metálicos". ACS Catalysis . 7 (7): 4822–4827. doi :10.1021/acscatal.7b00687. ISSN  2155-5435. OSTI  1390311.
  32. ^ Valenti G, Melchionna M, Montini T, Boni A, Nasi L, Fonda E, et al. (2020). "Electrohidrogenación mediada por agua de CO2 a potencial cercano al equilibrio mediante nanotubos de carbono/nanohíbridos de dióxido de cerio". ACS Appl. Energy Mater . 3 (9): 8509–8518. doi : 10.1021/acsaem.0c01145 . hdl : 11368/2972442 .
  33. ^ Guo, Weiwei; Bronceado, Xingxing; Bi, Jiahui; Xu, Liang; Yang, Dexin; Chen, Chunjun; Zhu, Qinggong; Mamá, junio; Tayal, Akhil; Mamá, Jingyuan; Huang, Yuying; Sol, Xiaofu; Liu, Shoujie; Han, Buxing (12 de mayo de 2021). "Catalizadores atómicos de indio para cambiar productos de electrorreducción de CO 2 de formiato a CO". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 143 (18): 6877–6885. doi :10.1021/jacs.1c00151. ISSN  0002-7863. PMID  33856799. S2CID  233257736.
  34. ^ Kuhl, Kendra P.; Cave, Etosha R.; Abram, David N.; Jaramillo, Thomas F. (26 de abril de 2012). "Nuevos conocimientos sobre la reducción electroquímica del dióxido de carbono en superficies de cobre metálico". Energy & Environmental Science . 5 (5): 7050–7059. doi :10.1039/C2EE21234J. ISSN  1754-5706.
  35. ^ Kong, Qingquan; An, Xuguang; Liu, Qian; Xie, Lisi; Zhang, Jing; Li, Qinye; Yao, Weitang; Yu, Aimin; Jiao, Yan; Sol, Chenghua (6 de marzo de 2023). "Catalizadores a base de cobre para la reducción electroquímica de dióxido de carbono: avances y perspectivas de futuro". Horizontes de Materiales . 10 (3): 698–721. doi : 10.1039/D2MH01218A . ISSN  2051-6355. PMID  36601800.

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