Acoplamento de Microcinéticas com Modelos de Transporte Contínuo para Compreender a Redução de CO2 em Eletrodos Planos e Otimizados

A redução eletroquímica de CO2 surgiu como uma técnica atraente para produzir sustentavelmente combustíveis e produtos químicos valiosos, enquanto reduz as emissões de CO2. Além do material específico do eletrodo, o microambiente local à interface do eletrodo – por exemplo, o pH do eletrólito, a concentração de CO2, a concentração de tampão – desempenha um papel significativo na determinação da seletividade e atividade do eletrólito. Neste trabalho, demonstramos uma abordagem multiescalar, onde simulações microcinéticas de Au são acopladas a um modelo de transporte contínuo bidimensional em uma configuração de reator em fluxo. Especificamente, concentrações e potenciais resolvidos no modelo contínuo são inseridos em modelos microcinéticos ao longo da superfície do eletrodo plano, que retornam fluxos de concentração usados para atualizar o modelo contínuo. Descobrimos que quantidades locais na interface do eletrodo, como a concentração de CO2 e o pH, variam não apenas com o potencial aplicado e a taxa de fluxo, mas também com a posição no eletrodo. Investigamos duas maneiras de aumentar a disponibilidade de CO2 na interface: (1) aumentando a taxa de fluxo aplicada, reduzindo assim a espessura da camada limite, e (2) introduzindo um defeito inerte no meio do eletrodo, permitindo que o CO2 seja parcialmente reabastecido dentro da camada limite de depleção. Inspirados pelo efeito de um único defeito inerte, exploramos eletrodos padronizados com defeitos inertes e múltiplos materiais de catalisador, ou seja, um sistema em tandem generalizado. Mostramos como o padrão específico do eletrodo pode ser otimizado para visar um produto desejado específico. As diferentes partes do eletrodo têm diferentes objetivos que trabalham juntas: converter CO2 em CO, converter CO em produtos C2+ e permitir que as concentrações se reabasteçam através da camada limite. No geral, nosso objetivo é demonstrar a necessidade de abordagens multidemensionais e multiescalares para simular a redução de CO2 para elucidar o ambiente de reação próximo ao eletrodo. Este trabalho foi realizado sob os auspícios do Departamento de Energia dos EUA pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore sob o contrato DE-AC52-07NA27344. Número de liberação LLNL: LLNL-ABS-857537.