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Projeto de investigação
Understanding CO2 electro-reduction in porous materials
Financiador
Autores
Publicações
Editorial
Publication . Reis-Machado, Ana S.; Nunes, Ana V.M.; Nunes da Ponte, Manuel; CENIMAT-i3N - Centro de Investigação de Materiais (Lab. Associado I3N); LAQV@REQUIMTE; Frontiers Media
Modelação de Cátodos Porosos para Redução Eletroquímica do CO2
Publication . Fernandes, Inês Sitéria de Sousa Rodrigues; Machado, Ana; Mendes, Manuel
A mitigação das emissões de CO2, provenientes de efluentes gasosos industriais, é vital para a diminuição do efeito estufa atmosférico, e consequentemente para o combate às alterações climáticas. Uma das estratégias para atingir este objetivo são as tecnologias de utilização do CO2, das quais a Redução Eletroquímica do CO2 (CO2R) é das com maior potencial.
Na presente tese, um modelo bidimensional para elétrodos porosos, desenvolvido por C. Ma et al. (2018) para desenhar elétrodos para uma bateria de escoamento de fluxo, à base de quinona, foi adaptado para permitir o desenho e otimização de elétrodos porosos de um eletrolisador para a co-electrólise de CO2 e água utilizando um cátodo de zinco. As simulações foram efetuadas utilizando o Software COMSOL®.
A validação do modelo foi efetuada utilizando os dados experimentais publicados por Luo et al. (2019) utilizando também um cátodo de zinco.
Os efeitos da porosidade e do diâmetro de poro no desempenho do elétrodo, nos perfis de concentração do CO2, e nos perfis de pH da reação de redução do CO2, após avaliação, permitiram a otimização da porosidade e do diâmetro de poro para o elétrodo.
A morfologia do elétrodo foi caracterizada pelo Fator de Forma que permitiu a análise dos efeitos cumulativos de volume de poro, área superficial específica e diâmetro de poro. O estudo dos efeitos da variação deste fator no desempenho do elétrodo permitiu a sua otimização.
A otimização do desempenho do cátodo poroso e compreensão dos efeitos da sua morfologia foram alcançadas com a modelação efetuada.
Este trabalho demonstra que, utilizando o esquema de otimização da estrutura porosa proposto, foi possível aumentar 1.84 vezes a densidade de corrente, e 2.31 vezes o fluxo de produção de CO, obtidos experimentalmente por Luo et al., com o cátodo de morfologia de fibra triangular equilateral.
Polaritonic Crystal Resonances in Transparent Mesh Electrodes
Publication . Brandão, Fábio Gabriel Gameiro; Mendes, Manuel; Santos, Ivan
O desenvolvimento de elétrodos condutores transparentes (TCEs) avançados é crucial para dispositivos optoeletrónicos de próxima geração, tais como células solares, LEDs e sensores. Neste trabalho, explorámos o dimensionamento de elétrodos de malha metálica e fabricámos malhas de prata utilizando litografia coloidal. São introduzidas duas arquiteturas que operam em diferentes regimes óticos: a micromalha fotónica (PhoMM) e a nanomalha plasmónica (PlaNM). A PhoMM usufrui de altas condutividades e uma transmissão de janela óptica, enquanto a PlaNM tira proveito de ressonâncias plasmónicas associadas ao fenómeno da Transmissão Ótica Extraordinária. Para além disso, a arquitetura PhoMM fabricada com litografia coloidal apresentou um perfil parabólico que guia a luz para os orifícios. Assim, ambas as arquiteturas conseguiram uma transmissão de luz superior à fração de área dos buracos. Simulações numéricas demonstraram que a PlaNM pode atingir transmitâncias até 99% em comprimentos de onda ressonantes num cenário ideal, apresentar uma resistência por folha de 1,1 ohm/sq. Foi desenvolvida uma metodologia de dimensionamento que fornece um algoritmo prático e eficiente para o dimensionamento de arquiteturas arbitrárias de nano/micro-malhas com qualquer geometria periódica e para qualquer dispositivo optoeletrónico. Através deste algoritmo, ambas as arquiteturas foram dimensionadas e posteriormente fabricadas, tendo as PhoMM demonstrado uma figura de mérito (FoM) de Hackee tão elevada quanto 7,5 x 10-2 ohm-1 e as melhores PlaNM tão elevadas quanto 3,8 x 10-3 ohm-1, ambas superiores ao ITO padrão (2,0 x 10-3 ohm-1). Este trabalho realça o potencial e fornece diretrizes sem precedentes para a obtenção de uma transmissão melhorada, tanto plasmónica como fotónica, em malhas metálicas com altas condutividades.
Solar Fuels Design: Modeling Porous Cathodes for the Production of Carbon-Based Fuels from CO2
Publication . Antunes, Duarte Correia da Fonseca da Silva; Mendes, Manuel; Machado, Ana
The use of fossil fuels is related to several environmental hazards, including global warming, which is caused by an excess of CO_2 in the atmosphere. The reduction of CO_2 emissions from industrial waste gases is crucial for reducing the atmospheric greenhouse effect and, hence, combating climate change. There are several technologies for CO_2 utilisation, powered by electricity derived from solar energy, which can be used to transform fundamental chemical feedstocks like CO_2 and water into clean alternative fuels that improve grid stability, energy security, and environmental advantages. Furthermore, Electrochemical CO_2 Reduction (CO_2R) is one of the most promising strategies to achieve this goal.
A two-dimensional model for porous electrodes developed by C. Ma et al. (2018) to design electrodes for a flow-through, quinone-based battery was adapted in this Thesis to allow the design and optimization of a porous zinc cathode for an electrolizer to perform the co-electrolysis of CO_2 and water. COMSOL® software was used to run the simulations, while model validation was conducted using the experimental data provided by Luo et al. (2019).
The impacts of porosity, pore length, fiber shape geometry, pressure and temperature were explored, and after analyzing the performance of the electrode in each condition, it was possible to optimize each of the previously mentioned parameters and achieve considerably higher current density values (up to 190.06 mA/〖cm〗^2) than those reported in the literature.
Modelling Proton Exchange Membrane Electrolysers for Solar Fuels Production
Publication . Lopes, João Miguel Albino; Machado, Ana Maria; Mendes, Manuel
The thesis focused on the modelling, validation, and development of electrolysers in COMSOL Multiphysics for hydrogen and syngas (H2 + CO) production. Two different models were implemented: a proton exchange membrane (PEM) water electrolyser and a co-electrolysis cell for the simultaneous reduction of CO2 and H2O. A novel water electrolyser design was investigated, in which the anode is thermally integrated with a photovoltaic (PV) panel. The electrolyser model was therefore developed using a zero-gap configuration, incorporating a thermal-conductive layer on the anode side to ensure efficient heat management and enhance thermal coupling with the PV panel. Its performance was validated by comparing polarisation curves with the experimental results, showing close agreement and confirming the reliability of the implemented approach. The direct connection of the PV panel silicon-layer with the anode was found to be more cost-effective and of simpler design than using an intermediate thermal-conducive plate between electrolyser and PV systems for coupling, without bearing any significant losses in heat transfer. Furthermore, reducing electrode thickness increased current density up to 5.70 A·cm-2 in the fully optimised configuration.
In case of the CO2/H2O co-electrolyser, reproducing the setup of an experimental device established by the CO2RED project team, the variation of electrode and chamber thicknesses demonstrated promising results for syngas production. With a thin, porous Zn cathode and chambers near zero-gap conditions, the system achieved a current density of 861 mA·cm-2, showing the potential of the model for efficient syngas generation.
These results highlight the capability of numerical modelling software regarding the design and optimisation of electrolysers, supporting sustainable pathways for renewable hydrogen and syngas pro duction.
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Palavras-chave
Contribuidores
Financiadores
Entidade financiadora
Fundação para a Ciência e a Tecnologia
Programa de financiamento
3599-PPCDT
Número da atribuição
PTDC/EQU-EPQ/2195/2021