Ottimizzazione dei componenti di un sistema elettrochimico integrato per la valorizzazione della CO2 alimentato ad energia solare = Component optimization of an integrated electrochemical system for solar-powered CO2 valorization

Nella lotta alla crisi climatica, dovuta principalmente all’eccessiva presenza di anidride carbonica nell’atmosfera, una strategia molto promettente riguarda la cattura e la conversione della CO2 in prodotti ad alto valore aggiunto. Una possibile soluzione è la eCO2RR (Electrochemical CO2 Reduction Reaction), una reazione elettrochimica che prevede l’impiego di elettrolizzatori e specifici elettro-catalizzatori, per ridurre la barriera di potenziale nella reazione di riduzione della CO2, una molecola estremamente stabile a causa della presenza dei legami covalenti al suo interno. In aggiunta, l’impiego di un sistema di celle solari in grado di fornire la corrente necessaria per l’innesco del processo di riduzione, è in grado di rendere l’intero processo completamente sostenibile, da un punto di vista energetico. Questo approccio presenta ancora alcune sfide da superare, come la possibilità di riscalare il processo a livello industriale, che comporta la minimizzazione dei costi e il miglioramento dell’efficienza del processo. In questo contesto si inserisce il seguente lavoro di tesi, svolto nei laboratori del Center for Sustainable Future Technologies dell’Istituto Italiano di Tecnologia, che è stato condotto nell’ottica di ottimizzare componenti e parametri di processo di un elettrolizzatore per la riduzione della CO2 in CO, alimentato ad energia solare tramite un sistema di celle fotovoltaiche di terza generazione. Durante lo studio, sono state condotte prove sperimentali analizzando il comportamento di un elettrolizzatore in configurazione MEA (Membrane Electrode Assembly) con diversi elettrocatalizzatori a base di Ag, capaci di favorire la riduzione della CO2 in CO, partendo da una soluzione 2 M di KHCO3 come catolita e KOH 1 M come anolita. Sono state condotte diverse misure variando i parametri di processo, come il potenziale applicato all’elettrolizzatore e il flusso degli elettroliti, nonché il substrato del catodo sul quale sono depositate le nanoparticelle di Ag, attraverso la tecnica di sputtering. È stata effettuata un’attenta analisi sulla configurazione più performante in grado di produrre CO, in modo da poter essere alimentata dal modulo di celle solari accoppiato. In particolare, tra i substrati testati, sono stati valutati alcuni parametri e la loro influenza sul rendimento totale, quali: la porosità, le proprietà superficiali (idrofilicità e idrofobicità) e lo spessore. Riguardo le celle solari, sono state prodotte diverse DSSCs (Dye-Sensitized Solar Cells) collegate in serie per formare un modulo a sei celle. Lo studio si è concentrato nell’ottimizzare l’accoppiamento delle singole celle, in modo da minimizzare le perdite di corrente dovute all’interfaccia tra il TCO (Transparent Conductive Oxide) e l’adesivo, necessario per la costruzione del modulo. Tra i materiali utilizzati per la giunzione è stato testato un nastro conduttivo in Cu, un cemento conduttivo a base carbonio ed un adesivo epossidico conduttivo. Tra le misure effettuate, i risultati migliori, in termini di corrente ed efficienza faradica (FE) nella produzione di CO, sono stati raggiunti utilizzando un GDE (Gas Diffusion Electrode) costituito da un foglio di fibre di carbonio con uno strato idrofobico trattato con PTFE (Polytetrafluoroethylene) con spessore totale di 235µm, sul quale sono state depositate le nanoparticelle di Ag. L’analisi è stata condotta ricavando la curva I-V dell’elettrolizzatore in modo tale da poterla accoppiare con quella del modulo di DSSCs. L’adesivo migliore per le celle sola