Validação e teste de células eletroquímicas para produção de formiato

Abstract

O aumento nos níveis de CO2 na atmosfera ao longo dos anos ocasionou uma série de problemas para o planeta. Por conta disso, faz-se necessário o desenvolvimento de tecnologias que consigam conter a concentração do dióxido de carbono na atmosfera. Para isso, pesquisadores têm proposto estratégias distintas para capturar esse CO2 e armazená-lo ou convertê-lo em algum produto que possa ser comercializado. Dentre as técnicas propostas na literatura, uma das rotas que se apresenta como mais promissora é a redução eletroquímica de CO2 para a produção de formiato. Contudo, para que seja possível a investigação de sistemas eletroquímicos que produzam efetivamente o formiato, é necessário que as células eletroquímicas sejam validadas, a fim de garantir uma melhor confiabilidade e reprodutibilidade dos resultados obtidos. Por isso, o presente trabalho buscou validar e testar células eletroquímicas para a produção de formiato através da redução eletroquímica de CO2. Para isso, foram realizados experimentos para medir a espessura da camada de difusão da célula e avaliou-se a reprodutibilidade do sistema através da produção de monóxido de carbono utilizando um eletrodo de trabalho de Ag. Além disso, estudou-se a produção de formiato utilizando estanho como eletrodo e investigou-se a possibilidade de utilizar líquidos iônicos como inibidores da reação de evolução de hidrogênio. A quantificação dos produtos gasosos foi feita através da técnica de cromatografia gasosa e o formiato foi quantificado através da técnica de RMN 1H. Os resultados dos experimentos de validação demonstraram que a célula utilizada apresenta problemas de design, sendo necessário a confecção de uma nova célula eletroquímica. Uma fração dos produtos gasosos ficou aprisionada dentro da célula, explicando eficiências faradaicas globais menores que 100% para os experimentos realizados com a prata. Por sua vez, foi possível quantificar o íon formiato nos experimentos utilizando uma folha de estanho como eletrocatalisador. A máxima eficiência faradaica obtida para o HCOO- foi de 14%, estando de acordo com a literatura. Contudo, outros trabalhos realizados utilizando estanho reportam que ele deveria ter uma alta seletividade para o formiato. Porém, a eficiência para o formiato está abaixo do que é reportado por esses trabalhos. Foi possível identificar que esse comportamento anômalo foi causado pela utilização da folha de estanho metálico. Para se obter maiores eficiências, é necessário formar uma camada de óxido de estanho, que possui um papel fundamental na estabilização do intermediário da reação de redução do CO2. A adição dos líquidos iônicos ao sistema ocasionou um aumento na densidade de corrente devido ao aumento da condutividade do sistema, sem inibir a produção de H2.

The increase in CO2 levels in the atmosphere over the years has caused a series of problems for the planet. Because of this, it is necessary to develop technologies that can contain the concentration of carbon dioxide in the atmosphere. To this end, researchers have proposed different strategies to capture this CO2 and store it or convert it into a product that can be commercialized. Among the techniques proposed in the literature, one of the most promising routes is the electrochemical reduction of CO2 to produce formate. However, for the investigation of electrochemical systems that effectively produce formate to be possible, it is necessary to validate the electrochemical cells to ensure better reliability and reproducibility of the results obtained. Therefore, the present work aimed to validate and test electrochemical cells for the production of formate through the electrochemical reduction of CO2. For this, experiments were carried out to measure the thickness of the cell’s diffusion layer and the reproducibility of the system was evaluated through the production of carbon monoxide using a silver working electrode. In addition, the production of formate using tin as an electrode was studied, and the possibility of using ionic liquids as inhibitors of the hydrogen evolution reaction was investigated. The quantification of gaseous products was done using the gas chromatography technique, and formate was quantified using the 1H NMR technique. The results of the validation experiments demonstrated that the cell used has design problems, making it necessary to manufacture a new electrochemical cell. A fraction of the gaseous products was trapped inside the cell, explaining global faradaic efficiencies lower than 100% for the experiments carried out with silver. On the other hand, it was possible to quantify the formate ion in the experiments using a tin sheet as an electrocatalyst. The maximum faradaic efficiency obtained for HCOO- was 14%, in line with the literature. However, other works using tin report that it should have high selectivity for formate. However, the efficiency for formate is below what is reported by these works. It was possible to identify that this anomalous behavior was caused by the use of the metallic tin sheet. To obtain higher efficiencies, it is necessary to form a tin oxide layer, which plays a fundamental role in stabilizing the intermediate of the CO2 reduction reaction. The addition of ionic liquids to the system caused an increase in current density due to the increase in the system’s conductivity, without inhibiting H2 production.