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Publicação
Modelação de Cátodos Porosos para Redução Eletroquímica do CO2
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Orientador(es)
Resumo(s)
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.
Mitigation of CO2 emissions from industrial gaseous effluents is vital to the atmospheric greenhouse effect decrease, and hence to the fight against climate changes. One of the strategies to achieve this goal is the deployment of CO2 utilization technologies. CO2 electrochemical reduction (CO2R) is one of these technologies with the highest potential. In the present thesis, a two-dimensional porous electrodes model, developed by C. Ma et al. (2018) to design flow battery electrodes, based on quinone, was adapted to allow the design and optimization of porous zinc electrodes of an electrolyser for the CO2 and water co-electrolysis. The simulations were done using the COMSOL® Software. Model validation was undertaken using the experimental data published by Luo et al. (2019) also using a zinc cathode. The porosity and pore diameter effects on the electrode performance on the CO2 concentration fields and on the CO2 reduction reaction pH fields, after evaluation, allowed the optimization of these parameters. The electrode morphology was characterized by the Shape Factor that allowed the analysis of pore volume, specific superficial area, and pore diameter cumulative effects. The study of the effects of varying this factor on the electrode performance allowed its optimization. The simulations allowed an improved understanding of the morphology effects on the operation of the investigated cathode, and ultimately its optimization. This work demonstrated that, using the proposed porous structure optimization scheme employing the equilateral triangular fiber morphology cathode, it was possible to increase the current density by 1.84 times and the CO production flow by 2.31 times, when compared to the experimentally obtained values of Luo et al. (2019).
Mitigation of CO2 emissions from industrial gaseous effluents is vital to the atmospheric greenhouse effect decrease, and hence to the fight against climate changes. One of the strategies to achieve this goal is the deployment of CO2 utilization technologies. CO2 electrochemical reduction (CO2R) is one of these technologies with the highest potential. In the present thesis, a two-dimensional porous electrodes model, developed by C. Ma et al. (2018) to design flow battery electrodes, based on quinone, was adapted to allow the design and optimization of porous zinc electrodes of an electrolyser for the CO2 and water co-electrolysis. The simulations were done using the COMSOL® Software. Model validation was undertaken using the experimental data published by Luo et al. (2019) also using a zinc cathode. The porosity and pore diameter effects on the electrode performance on the CO2 concentration fields and on the CO2 reduction reaction pH fields, after evaluation, allowed the optimization of these parameters. The electrode morphology was characterized by the Shape Factor that allowed the analysis of pore volume, specific superficial area, and pore diameter cumulative effects. The study of the effects of varying this factor on the electrode performance allowed its optimization. The simulations allowed an improved understanding of the morphology effects on the operation of the investigated cathode, and ultimately its optimization. This work demonstrated that, using the proposed porous structure optimization scheme employing the equilateral triangular fiber morphology cathode, it was possible to increase the current density by 1.84 times and the CO production flow by 2.31 times, when compared to the experimentally obtained values of Luo et al. (2019).
Descrição
Palavras-chave
Armazenamento de energia modelação computacional modelo matemático redução eletroquímica de CO2 elétrodo poroso catalisador de zinco