La transició cap a una producció d’energia i productes químics sostenible requereix més que generar electricitat renovable: també exigeix ​​maneres eficients d’emmagatzemar energia i d’aprofitar millor els recursos renovables. El projecte de recerca europeu PeCATHS aborda aquests reptes desenvolupant vies fotoelectrocatalítiques innovadores que combinen l’emmagatzematge d’hidrogen amb la valorització de molècules derivades de la biomassa.

En el marc d’aquest esforç multidisciplinari, l’Institut de Materials Avançats (INAM) de la Universitat Jaume I (UJI) lidera la coordinació del projecte, alhora que desenvolupa components clau del sistema electrocatalític. La recerca de l’INAM/UJI se centra en un principi fonamental del projecte PeCATHS: tots dos elèctrodes poden aportar productes de valor al procés global.

En lloc d’utilitzar la reacció convencional de descomposició de l’aigua, en què un elèctrode produeix hidrogen i l’altre oxigen, PeCATHS explora una estratègia diferent. En un dels elèctrodes, una molècula es pot hidrogenar i actuar així com a portador orgànic líquid d’hidrogen (LOHC). A l’altre, un compost derivat de la biomassa es pot oxidar per produir un producte químic de valor. El resultat és un sistema electroquímic en què l’energia renovable pot contribuir simultàniament a l’emmagatzematge d’hidrogen i a la producció sostenible de productes químics.

Un dels reptes associats a l’ús de l’hidrogen a gran escala és el seu emmagatzematge i transport. L’hidrogen gasós té una densitat molt baixa i requereix compressió a alta pressió o bé una liqüefacció que consumeix molta energia. Els LOHC ofereixen una alternativa: en lloc d’emmagatzemar l’hidrogen en estat gasós, s’incorpora als enllaços químics d’una molècula orgànica. El líquid resultant es pot manipular i transportar amb més facilitat, i l’hidrogen es pot alliberar posteriorment mitjançant una reacció inversa.

Dins del projecte PeCATHS, la recerca de l’INAM/UJI estudia parells d’amina i nitril com a sistemes LOHC, utilitzant el benzonitril i la benzilamina com a parell model. En aquest sistema, la reducció electroquímica del benzonitril (BZN) a benzilamina (BZA) permet emmagatzemar hidrogen químicament en la molècula orgànica líquida. Aquest enfocament ofereix l’oportunitat de vincular directament l’emmagatzematge d’hidrogen amb l’electricitat renovable. En lloc de produir primer hidrogen per utilitzar-lo posteriorment en la hidrogenació d’un transportador orgànic, el procés electroquímic permet transferir els equivalents d’hidrogen necessaris directament a la molècula transportadora.

La segona part del concepte té lloc a l’elèctrode oposat, on la biomassa es transforma en un producte de valor. A l’INAM/UJI, s’ha dedicat un esforç considerable de recerca al disseny d’ànodes per a l’oxidació electroquímica del 5-hidroximetilfurfural (HMF). L’HMF és una molècula plataforma derivada de la biomassa que es pot convertir en àcid 2,5-furandicarboxílic (FDCA), un component bàsic renovable i important amb aplicacions en la producció de polímers i altres productes químics. Substituir la reacció convencional de despreniment d’oxigen per l’oxidació de biomassa ofereix diversos avantatges potencials. El despreniment d’oxigen és cinèticament exigent i requereix una aportació energètica considerable, mentre que l’oxidació de molècules orgàniques adequades pot tenir lloc a sobrepotencials més baixos i, alhora, generar un producte químic útil. D’aquesta manera, la reacció anòdica deixa de ser simplement una contrapartida necessària de la producció d’hidrogen per convertir-se en una font de valor afegit per si mateixa. Aquest és un aspecte clau del concepte PeCATHS. Mitjançant un disseny acurat dels electrocatalitzadors i de les condicions de reacció, el projecte pretén aprofitar de manera productiva ambdues parts de la cel·la electroquímica.

Durant els primers 18 mesos de PeCATHS, l’equip de l’INAM/UJI ha treballat, per tant, en dos reptes complementaris: el desenvolupament de càtodes per a la reducció de benzonitril i d’ànodes per a l’oxidació de l’HMF. La recerca ha evolucionat des del disseny i l’avaluació dels elèctrodes individuals fins a la seva integració en una cel·la electroquímica de dos compartiments. Aquest pas és especialment important perquè demostrar cada reacció per separat no és suficient per validar el concepte global; cal que tots dos processos puguin funcionar conjuntament en condicions electroquímiques compatibles.

En experiments preliminars, el sistema electroquímic va produir benzilamina i FDCA, demostrant la viabilitat d’acoblar la reducció del precursor LOHC de tipus nitril amb l’oxidació del substrat derivat de biomassa. Després de set hores de reacció, es van obtenir rendiments preliminars d’aproximadament el 90 % per a la benzilamina i el 100 % per a l’FDCA. Aquests resultats representen una fita important per al projecte i, sobretot, proporcionen la prova de concepte que l’estratègia electroquímica en tàndem proposada pot funcionar tal com s’havia previst.

La importància d’aquests resultats va més enllà de la producció de dos productes químics individuals. Els experiments demostren una nova manera d’enfocar la conversió electroquímica d’energia: el valor del procés es pot repartir entre tots dos elèctrodes. Al càtode, el benzonitril es redueix a benzilamina, generant una molècula líquida capaç d’emmagatzemar hidrogen de manera química. A l’ànode, l’HMF s’oxida a FDCA, transformant una matèria primera derivada de la biomassa en un producte de més valor. Aquesta combinació crea una mena d’hidrogenació per transferència global, en què els equivalents d’hidrogen generats durant el procés d’oxidació s’acoblen eficaçment al procés de reducció dins del mateix sistema electroquímic. En lloc de considerar que la reacció d’un elèctrode simplement dona suport a l’altra, PeCATHS pretén aprofitar totes dues transformacions simultàniament.

Això resulta especialment atractiu des d’una perspectiva de sostenibilitat. L’enfocament connecta tres objectius importants: l’ús d’energia renovable, l’emmagatzematge d’energia química i la valorització de la biomassa.

El funcionament reeixit del sistema integrat representa una fita important per a la primera etapa de PeCATHS. Demostra que la química fonamental proposada pel projecte es pot implementar en una cel·la electroquímica i proporciona una base sòlida per a la fase següent de la recerca.

El repte actual consisteix a passar de la prova de concepte a un rendiment, una estabilitat i una escalabilitat superiors. Els treballs futurs se centraran a optimitzar els materials dels elèctrodes i les condicions de reacció, millorar la selectivitat i l’eficiència energètica, comprendre els mecanismes que regeixen ambdues reaccions i, finalment, integrar els components electrocatalítics amb les tecnologies fotoelectroquímiques del projecte.

Escrit per l’equip de l’INAM