Aenert. Research Laboratory news
A la luz de la creciente demanda energética y del cambio climático, aprovechar la energía procedente de diferentes fuentes será cada vez más importante. Entre estos métodos alternativos de producción de energía destacan los procesos electroquímicos como la electrólisis del agua, que, por un lado, utilizan electricidad y no sustancias químicas y, por otro, pueden responder a las fluctuaciones del suministro eléctrico conectando procesos electroquímicos en en caso de exceso de electricidad o apagándolos en caso de escasez de electricidad. La electrólisis del agua genera hidrógeno, que es una fuente de energía flexible y juega un papel importante en cualquier escenario energético que gire en torno a la transición energética.
Ahora (2023), Fraunhofer IMM construye microrreactores electroquímicos, también conocidos como “células de flujo”, que pueden utilizarse en procesos de síntesis verdes como la electrosíntesis. Los reactores desempeñan un papel importante en el desarrollo y selección de diferentes procesos de síntesis a escala de laboratorio para que luego la síntesis pueda transferirse a escala piloto. En cooperación con hte GmbH, con sede en Heidelberg, Fraunhofer IMM ha desarrollado un concepto modular y flexible para una celda de flujo electroquímica que han utilizado para tareas de detección de alto rendimiento en electrocatálisis.
El concepto básico del reactor aplica un diseño de pila de placas. Una única celda electroquímica consta de un conjunto de placas de electrodos y otros componentes. La pila se compone de una celda para operación individual o de un conjunto de celdas que pueden operarse en paralelo, en serie o ambas. El modo de funcionamiento paralelo es especialmente adecuado para tareas de cribado. Por lo tanto, estudiar la influencia del material de la membrana en el proceso electroquímico es fácil ya que se pueden instalar diferentes membranas en cada una de las celdas electroquímicas de la pila, que por lo demás son iguales. Como resultado, se puede determinar y utilizar la mejor membrana para el proceso. El reactor permite una gran cantidad de variaciones de células, lo que significa que se pueden modificar y probar, por ejemplo, diferentes materiales de membrana y electrocatalizadores.
Se ha construido un prototipo inicial de módulo de cribado con cuatro células electroquímicas dispuestas en paralelo, que actualmente se encuentra en fase de validación. Si tiene éxito, este modelo se puede ampliar a 16 celdas paralelas. Las numerosas configuraciones del reactor permiten adaptar la plataforma de cribado a diferentes áreas de aplicación. Por lo tanto, además de la electrólisis del agua, también se pueden considerar otras tareas, como la producción de ingredientes farmacéuticos activos o la descomposición de residuos en el tratamiento de aguas residuales.
Los científicos llevan varios años explorando diferentes métodos para producir hidrógeno de forma respetuosa con el medio ambiente. En 2011 se desarrolló un microrreactor electroquímico en el que se pueden realizar reacciones electroquímicas en flujo. Tenía dos cuerpos de aluminio (50 mm de diámetro, 25 mm de altura). Los electrodos se fabricaron utilizando dos placas de PTFE (35 mm de diámetro, 4 mm de altura) con electrodos de lámina de platino de 0,1 mm unidos. Los cables para la conexión al potenciostato se colocaron dentro de la placa PFTE debajo del platino. En el diseño se utilizó un pequeño espacio entre los electrodos para evitar la necesidad de electrolitos y una configuración sencilla. Los electrodos se separaron mediante una lámina de FEP (etileno propileno fluorado) de espesor variable, en la que se cortó un canal de reacción rectangular (3 x 30 mm), dando un volumen total del canal de 23 µl (lámina de FEP de 254 µm de espesor). y todo el dispositivo se mantiene unido mediante tornillos de acero y tuercas de mariposa. Durante la reacción, se sintetizaron compuestos de diariliodonio después de realizar algunas reacciones de prueba iniciales.
Como reacciones de prueba para el microrreactor electroquímico se utilizaron reacciones electroquímicas conocidas. La metoxilación oxidativa del furano 4 en metanol con un producto obtenido en una relación syn:anti aproximada de 1:1 mostró que nuestro sistema funcionó satisfactoriamente para reacciones electroquímicas. Se logró la conversión completa según lo establecido por GC/MS.
Image: Electrochemical microreactor
Source: Kevin Watts, William Gattrell, Thomas Wirth/ A practical microreactor for electrochemistry in flow/ Beilstein Journal of Organic Chemistry 7(1):1108-14, August 2011/ DOI:10.3762/bjoc.7.127/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Attribution 2.0 Generic (CC BY 2.0)
2023, Los científicos informaron sobre la coelectrólisis de agua de mar y dióxido de carbono (CO2) en un reactor de microfluidos sin membrana integrado en células solares para la síntesis continua de productos orgánicos. El reactor se construyó utilizando un sustrato de polidimetilsiloxano que consta de un microcanal central con un par de entradas para la inyección de gas CO2 y agua de mar y una salida para la eliminación de productos orgánicos. Se instalaron un par de electrodos de cobre en el microcanal para garantizar la interacción inmediata con el gas CO2 entrante y el agua de mar que pasa a través del microcanal. El acoplamiento de paneles de células solares con electrodos produjo un campo eléctrico de alta intensidad a través de los electrodos a bajo voltaje, lo que provocó la coelectrólisis del CO2 y el agua de mar. La electrólisis emparejada de gas CO2 y agua de mar produjo una variedad de compuestos orgánicos de importancia industrial bajo la influencia de un campo eléctrico externo mediado por células solares. Los compuestos orgánicos sintetizados se recogieron aguas abajo y se identificaron mediante técnicas de caracterización. Además, se analizaron los probables mecanismos de reacción electroquímica subyacentes cerca de los electrodos para la síntesis de productos orgánicos. Se descubrió que la inclusión de gas de efecto invernadero CO2 como reactivo, agua de mar como electrolito y energía solar como fuente eléctrica económica para el inicio de la coelectrólisis contribuye a la economía y la sostenibilidad del microrreactor para el secuestro de CO2 y la síntesis de compuestos orgánicos.
Image: Schematic illustration of the experimental set-up showing microreactor for CO2-sequestration. The microreactor has two inlets perpendicular to each other, one for seawater connected to the syringe pump operating at a constant flow-rate (Qw = 3 mL/min) and another for injection of gaseous CO2 from a pure CO2 gas cylinder with a mass flow meter operating at a constant flow-rate (Qg = 3 mL/min). The integrated Cu electrodes are positioned perpendicular to the gas–liquid flow and connected to a solar panel circuitry. The microreactor operates under sunlight and the organic products are collected at downstream of microchannel
Source: Saptak Rarotra, Saptak Rarotra, Tapas Kumar Mandal & Dipankar Bandyopadhyay/ Co-electrolysis of seawater and carbon dioxide inside a microfluidic reactor to synthesize speciality organics/ Scientific Reports volume 13, Article number: 10298 (2023), 26 June 2023/ doi.org/10.1038/s41598-023-34456-6/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)
El dispositivo del reactor tiene varias ventajas: las pruebas paralelas habilitadas por las nuevas celdas de flujo electroquímico podrían acelerar la detección de catalizadores hasta cuatro veces en comparación con los enfoques clásicos. Gracias a su diseño modular, las células también se pueden utilizar para otros procesos. Por lo tanto, el diseño actual de la celda permite construir una variedad de configuraciones de reactor, por ejemplo, con diferentes espaciamientos de electrodos, lo que ilustra la amplia gama de posibles aplicaciones. Además de la electrólisis del agua, también se pueden considerar otras tareas, como la producción de ingredientes farmacéuticos activos o la descomposición de residuos en el tratamiento de aguas residuales. El reactor se puede utilizar para determinar la mejor manera de optimizar el proceso de electrólisis del agua. Otra aplicación útil puede ser determinar qué electrocatalizadores y membranas aumentan la eficiencia del proceso.
En general, se pueden realizar adaptaciones específicas a los microrreactores electroquímicos escalables para que puedan ser utilizados en diferentes tipos de tareas. Posiblemente por esta razón la electroquímica está experimentando actualmente un gran impulso provocado por la búsqueda de procesos de síntesis verdes y los esfuerzos por el uso directo de la (excesiva) energía generada de forma sostenible.
Por el consejo editorial
Celdas de flujo modulares para procesos químicos eficientes
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