Redução eletroquímica do dióxido de carbono

Abstract

Neste trabalho foi efetuado o estudo da redução eletroquímica do CO2 e da água para formar gás de síntese utilizando um eletrólito composto pelo líquido iónico trifluorometanosulfonato de imidazólio [EMIM][OTf] com 90% água (%mássica), a pressões de CO2 moderadas (10 bar) e a temperaturas próximas da ambiente (45ºC). Este estudo foi realizado em dois tipos de reatores eletroquímicos utilizando um cátodo de zinco. Um dos reatores era constituído apenas por um compartimento sem separação do católito e do anólito e foi utilizado essencialmente para testes preliminares. O segundo reator de dois elétrodos e de dois compartimentos possui uma membrana de permuta iónica para separar o católito do anólito. Esta configuração já corresponde à configuração dos eletrolisadores utilizados industrialmente para produzir hidrogénio. Os eletrolisadores de CO2 ainda não se encontram disponíveis comercialmente. Foi estudada a influência de quatros tipos de membranas distintas na redução eletroquímica do CO2. Foi também investigado e comparado um modo de operação em descontínuo e semi-contínuo, tendo-se verificado que a operação em modo semi-contínuo permite aumentar a produtividade do processo e a seletividade para o CO, quando comparada com o processo em descontínuo. Foram obtidas produtividades superiores às do estado da arte na gama de 0,01 e 0,02 mmol/cm2 em eletrólises de 200 C efetuadas a 10 bar e 45ºC. Nestas condições foram obtidas conversões máximas de CO2 de 9% para caudais de eletrólito de 1 ml/min. Os potenciais de célula encontram-se na gama de [-3,5V;-4V] e as seletividades para o CO variam entre 50%-70% para uma gama de caudais de 1ml/min - 5 ml/min. Foi igualmente iniciado o trabalho de desenvolvimento de eletrólitos à base de diferentes líquidos iónicos da família dos imidazólios e picolínios. Estes eletrólitos foram caracterizados por voltametria cíclica utilizando como elétrodos de trabalho zinco e cobre. Em particular foi estudado o efeito da composição de água do eletrólito bem como do catião imidazólio e picolínio nos perfis voltamétricos. A seletividade obtida com o eletrólito constituído pelo [EMIM][OTf] foi comparada com a seletividade obtida com os eletrólitos á base de [MIM][MeSO4] e [EMIM][EtSO4], tendo-se verificado que o [EMIM][OTf] nas condições estudadas era mais seletivo para o CO. A instalação de alta pressão foi também adaptada para ser aplicada ao estudo da foto-eletroredução do CO2, apresentando-se nesta tese a descrição de uma experiência que mostra a capacidade da instalação experimental para observar o efeito do aumento da corrente (em valor absoluto) por iluminação do foto-ânodo.