Novel Catalytic Materials and Strategies for Hydrogen Production and Hydrogenation Reactions based on PEM Electrolysis

Abstract

La producció d’hidrogen, a gran escala, a partir d’aigua ha esdevingut un repte des de fa uns quants any enrere. Així, una via ecològica i eficient per a la generació d’hidrogen ha de ser establerta. Entre totes les possibilitats, la electròlisis mitjançant la tecnologia de membranes bescanviadores de protons (PEM) és la tècnica més prometedora per a aconseguir tal propòsit. A més a més, aquesta aproximació també pot ser considerada per a dur a terme reaccions electroquímiques per altres propòsits més enllà de la generació d’hidrogen, com per exemple, la reducció de contaminants d’origen químic. A la llum d’aquests antecedents, reactors electro-catalítics multi-funció basats en membranes de bescanvi protòniques, integrats en un sistema en flux, per a (1) producció d’hidrogen i (2) reducció de nitrats (contaminant estudiat) a nitrogen, van ser dissenyats, construïts i finalment avaluats, satisfactòriament. Catalitzadors heterogenis basats en metalls van ser utilitzats com a materials d’elèctrode per a realitzar les reaccions electroquímiques desitjades. El MoS2, així com, el Co3O4 van ser descoberts com a materials prometedors per a la producció d’hidrogen en sistemes d’electròlisis PEM degut al seu rendiment, preu i abundància en l’escorça terrestre. Utilitzant la mateixa estratègia, catalitzadors suportats en SnO2 van ser emprats per a la reducció en continu de nitrats, en fase aquosa, sota condicions electroquímiques. Aquesta aproximació va ser anomenada reducció de nitrats assistida mitjançant electròlisis. El catalitzador de SnO2 modificat amb PdCu va destacar com el material d’elèctrode amb millor rendiment en termes de conversió i selectivitat. Mitjançant la modificació dels paràmetres de treball, així com, la configuració del reactor, la versatilitat i flexibilitat d’aquesta estratègia van ser avaluades per a poder afinar la formació de productes durant la reacció.

La producción de hidrógeno, a gran escala, a partir de agua se ha convertido en un reto desde ya hace unos cuantos años. Así, una vía ecológica y eficiente para la generación de hidrógeno tiene que establecerse. Entre todas las posibilidades, electrólisis mediante la tecnología de membranas de intercambio de protones (PEM) es la técnica más prometedora para conseguir dicho propósito. Además, dicha aproximación también puede ser considerada para llevar a cabo otras reacciones electroquímicas con propósitos totalmente distintos a la producción de hidrógeno, como por ejemplo, la reducción de contaminantes de origen químico. A la luz de estos antecedentes, reactores electroquímicos multifuncionales basados en membranas de intercambio protónicas, integrados en un sistema en flujo, para (1) producción de hidrógeno y (2) reducción de nitratos (contaminante estudiado) a nitrógeno, fueron diseñados, construidos y evaluados, satisfactoriamente. Catalizadores heterogéneos basados en metales fueron utilizados como materiales de electrodo para realizar las reacciones electroquímicas deseadas. MoS2, así como, Co3O4 fueron descubiertos como materiales prometedores para la producción de hidrógeno en sistemas de electrólisis PEM, debido a su rendimiento, precio y abundancia en la corteza terrestre. Empleando la misma estrategia, catalizadores soportados en SnO2 fueron utilizados para la reducción en continuo de nitratos, en fase acuosa, bajo condiciones electroquímicas. Esta aproximación fue llamada reducción de nitratos asistida mediante electrolisis. Catalizador de SnO2 modificado con PdCu destacó como el material de electrodo con mejor rendimiento en términos de conversión y selectividad. Mediante la modificación de los parámetros de trabajo, así como, la configuración del reactor, la versatilidad y flexibilidad de esta estrategia fueron evaluadas para poder ajustar la formación de productos durante la reacción.

Large-scale hydrogen production from water has become a challenge since several years ago. Thus, a clean and efficient way for hydrogen generation has to be stablished; among all possibilities, electrolysis by means of proton exchange membrane (PEM) technology is the most promising technique to achieve such goal. Furthermore, this approach can be also considered as potential strategy to perform electrochemical reactions for other purposes rather than only hydrogen production, like chemical pollutants reduction. In the light of this backgrounds, a multipurpose proton exchange membrane (PEM) electrocatalytic reactors, integrated in a flow system, for (1) hydrogen production and (2) nitrate reduction (target pollutant) towards nitrogen, were successfully designed, constructed and lately evaluated. Metal-based heterogeneous catalysts were employed as electrode material to carry out desired electrochemical reactions. MoS2 as well as Co3O4 were found as promising materials for hydrogen production in PEM electrolysis system due to its performance, price and abundance on Earth’s crust. Using same strategy, SnO2 supported catalysts were employed for continuous aqueous phase nitrate reduction under electrochemical conditions. This approach was called electrolysis-assisted nitrate reduction. PdCu dopped SnO2 catalyst stood up as the best performing electrode material in terms of conversion and selectivity. By modifying working parameters as well as reactor configuration, versatility and flexibility of this strategy were evaluated in order to fine tune products formation during reaction.