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Publicação
Solar Fuels Design: Modeling Porous Cathodes for the Production of Carbon-Based Fuels from CO2
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Orientador(es)
Resumo(s)
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.
A utilização de combustíveis fósseis está relacionada com vários perigos ambientais, incluindo o aquecimento global, que é causado por um excesso de CO_2 na atmosfera. A redução das emissões de CO_2 dos gases de resíduos industriais é crucial para reduzir o efeito de estufa atmosférico e, consequentemente, para combater as alterações climáticas. Existem várias tecnologias para a utilização de 𝐶𝑂2, alimentadas por eletricidade obtida a partir da energia solar, que podem ser utilizadas para transformar matérias-primas químicas fundamentais como o 𝐶𝑂2 e a água em combustíveis alternativos limpos que melhoram a estabilidade da rede, a segurança energética, e as vantagens ambientais. Além disso, a Redução Eletroquímica do CO_2 (CO_2 R) é uma das estratégias mais promissoras para atingir este objetivo. Um modelo bidimensional para elétrodos porosos desenvolvido por C. Ma et al. (2018) para a conceção de elétrodos para uma bateria à base de quinona foi adaptado nesta Tese para permitir a conceção e otimização de um cátodo de zinco poroso para um eletrolisador a fim de realizar a co-electrólise de CO_2 e água. O software COMSOL® foi utilizado para executar as simulações, enquanto a validação do modelo foi realizada utilizando os dados experimentais fornecidos por Luo et al. (2019). Foram explorados os impactos da porosidade, comprimento dos poros, geometria da forma da fibra, pressão e temperatura, e após análise do desempenho do elétrodo em cada condição, foi possível otimizar cada um dos parâmetros anteriormente mencionados e alcançar valores de densidade de corrente consideravelmente mais elevados (até 190.06 mA/〖cm〗^2) do que os reportados na literatura.
A utilização de combustíveis fósseis está relacionada com vários perigos ambientais, incluindo o aquecimento global, que é causado por um excesso de CO_2 na atmosfera. A redução das emissões de CO_2 dos gases de resíduos industriais é crucial para reduzir o efeito de estufa atmosférico e, consequentemente, para combater as alterações climáticas. Existem várias tecnologias para a utilização de 𝐶𝑂2, alimentadas por eletricidade obtida a partir da energia solar, que podem ser utilizadas para transformar matérias-primas químicas fundamentais como o 𝐶𝑂2 e a água em combustíveis alternativos limpos que melhoram a estabilidade da rede, a segurança energética, e as vantagens ambientais. Além disso, a Redução Eletroquímica do CO_2 (CO_2 R) é uma das estratégias mais promissoras para atingir este objetivo. Um modelo bidimensional para elétrodos porosos desenvolvido por C. Ma et al. (2018) para a conceção de elétrodos para uma bateria à base de quinona foi adaptado nesta Tese para permitir a conceção e otimização de um cátodo de zinco poroso para um eletrolisador a fim de realizar a co-electrólise de CO_2 e água. O software COMSOL® foi utilizado para executar as simulações, enquanto a validação do modelo foi realizada utilizando os dados experimentais fornecidos por Luo et al. (2019). Foram explorados os impactos da porosidade, comprimento dos poros, geometria da forma da fibra, pressão e temperatura, e após análise do desempenho do elétrodo em cada condição, foi possível otimizar cada um dos parâmetros anteriormente mencionados e alcançar valores de densidade de corrente consideravelmente mais elevados (até 190.06 mA/〖cm〗^2) do que os reportados na literatura.
Descrição
Palavras-chave
Environmental hazards Renewable Fuels Electrochemical CO_2 Reduction COMSOL® software Porous Electrodes