Desarrollo de un sistema de fotoelectrosíntesis integrando energía solar y materiales semiconductores para la producción de amoniaco y urea verdes

La producción industrial de amoníaco por proceso de Haber-Bosch emite más CO2 que cualquier otro proceso químico, ya que es uno de los productos químicos más producidos y consume mucha energía. Como el amoníaco se utiliza para la producción de fertilizantes y combustible que transporta hidrógeno verde, es indispensable descarbonizar su proceso de producción. La aplicación de procesos de electroreducción en la producción de urea y amoníaco a partir de contaminantes como el dióxido de carbono y los nitratos/nitritos como materias primas es una estrategia neutra en carbono e innovadora para eliminar gradualmente su fabricación industrial insostenible. Sin embargo, su producción utilizando electrolizadores convencionales es económicamente menos viable debido a la baja selectividad y rendimiento, el uso de catalizadores costosos, y la operación requiere un alto voltaje. El proyecto propuesto aborda estos desafíos con el desarrollo de un prototipo de fotoelectrolizador de flujo continuo que contiene un fotoánodo semiconductor de SiC/TiO2 y un cátodo de óxido bimetálico a base de cobre. El fotoelectrolizador funciona con un voltaje de celda reducido debido al voltaje mayor del SiC/TiO2 tras la iluminación. Además, el desarrollo de electrocatalizadores de óxidos a base de cobre como cátodos mejora el rendimiento y la selectividad de la producción de amoníaco y urea. El prototipo de fotoelectrolizador se diseñará para un funcionamiento a temperatura y presión ambiente utilizando luz solar y electricidad procedente de recursos energéticos renovables. A diferencia de los metales del grupo del Pt en los electrolizadores convencionales, el cátodo y el ánodo del prototipo consisten en elementos abundantes en la tierra que reducen los costos del material del catalizador. Además, el reciclaje del dióxido de carbono y los nitratos del agua contaminada restablece el equilibrio del ya perturbado ciclo natural del carbono y el nitrógeno, lo que conduce a una economía circular.

Superar los desafíos de los electrolizadores convencionales para la producción electrocatalítica de amoníaco y urea en tres fases: (i) Desarrollar un fotoánodo nanoestructurado de SiC/TiO2 para reducir el exigencia de sobrepotencial de la semirreacción de oxidación anódica del agua del proceso de electrocatálisis que mejoraría la eficiencia energética de la producción de NH3 y urea. ii) Desarrollar un catalizador simple a base de Cu para NH3 y un catalizador bimetálico para mejorar el rendimiento de la urea mediante un mecanismo de electrocatálisis en tándem. Los catalizadores a base de cobre se eligen por su mayor selectividad y para reducir los costos de capital asociados con la selección del material del catalizador (iii) Desarrollar un prototipo de fotoelectrolizador de flujo continuo combinando el fotoánodo y el cátodo anteriores que funciona a un voltaje de celda más reducido y densidad de corriente operativa que el electrolizador convencional, mejorando la eficiencia energética y el rendimiento de la producción de NH3 y urea.

1. Preparar y caracterizar fotoánodos de bicapa en tándem SiC/TiO2 mediante pulverización catódica de magnetrón RF, con una alta eficiencia de conversión de fotones incidentes a corriente para la reacción de evolución de oxígeno anódico a partir del agua. 2. Preparar y caracterizar Cu2O nanoestructurado con facetas específicas para la reducción electroquímica de nitritos a amoníaco y un catalizador bimetálico a base de cobre utilizando métodos químicos para la coelectrorreducción de CO2 y nitritos a urea con alta selectividad y rendimiento. 3. Optimización de parámetros de proceso para la reducción electrocatalítica de nitratos para la producción de amoniaco y la reducción electrocatalítica de CO2 y nitratos para la producción de urea. 4. Investigar los mecanismos de reacción de la producción de urea y amoníaco utilizando espectrometría de masas electroquímica diferencial operando y espectroscopia Raman in situ que pueden ayudar a optimizar los parámetros del proceso. 5. Diseñar y desarrollar un prototipo de fotoelectrolizador de flujo continuo con mayor densidad de corriente operativa y menor voltaje de celda para la producción de amoníaco verde y urea con alto rendimiento.

Además de los obligatorios: - Desarrollo de electrocatalizadores facetados de Cu2O para la reducción electroquímica de nitratos a amoniaco y electrocatalizadores bimetálicos a base de Cu para la reducción de nitratos y CO2 a urea. - Desarrollo de fotoánodos en tándem bicapa de heteroestructura TiO2(n)/SiC(n) para oxidación de agua - Diseñé y desarrollé un prototipo de fotoelectrolizador de flujo continuo con TRL-4 para electrosíntesis de amoníaco y urea asistida por fotoánodos. - Dos estudiantes de tesis de maestría recibirán capacitación en síntesis de materiales mediante química y métodos de pulverización catódica con magnetrón de RF y desarrollo de electrolizadores para la producción de productos químicos básicos. - Fortalecer la colaboración científica entre los grupos de investigación nacionales (PUCP y UNSAAC) con el grupo de investigación internacional (Universidad de Brasilia, Brasil). - La ejecución del proyecto abrirá nuevas líneas de investigación dentro de nuestras instituciones orientadas a la descarbonización de la industria química a través de tecnología de electrocatálisis alimentada por energías renovables.

- El proyecto introducirá nueva tecnología ecológica en la producción industrial de amoníaco y urea. - El amoníaco verde es un portador de hidrógeno, más fácil de almacenar y transportar que el propio gas hidrógeno. También se puede quemar como combustible en un motor de combustión interna o en una pila de combustible, emitiendo agua y nitrógeno como subproductos. La producción electroquímica de amoníaco está descentralizada y opera en condiciones ambientales. Por lo tanto, hay menos posibilidades de que se produzcan accidentes y riesgos para la salud de la comunidad que vive cerca de las instalaciones de producción. - El fotoelectrolizador de flujo continuo desarrollado en este proyecto utiliza electrodos compuestos de materiales con abundante tierra en lugar de los electrodos de metales del grupo del platino de los electrolizadores convencionales, lo que lo hace económicamente más viable.

Investigacion aplicada

Multidisciplinario

ADMINISTRADO

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• 14 — Ciencias e ingeniería de los materiales

Ciencias naturales - Química - Ciencia de los polímeros | Ingeniería, Tecnología - Ingeniería de materiales - Ingeniería de materiales

UNIVERSIDADE DE BRASILIA