Covalent Organic Framework Membrane Reactors for Full-Volume Active Electrodes in CO2 Electrolysis

Descripción del proyecto

Materiales innovadores que facilitan el transporte eficiente de partículas impulsan las aplicaciones electroquímicas

Las tecnologías modernas, como la generación de electricidad y la electrólisis del CO2, se basan en la capacidad de controlar el movimiento de electrones, iones y moléculas a través de los materiales. Sin embargo, controlar el transporte simultáneo de distintas partículas en un mismo material constituye todo un reto, debido a las condiciones concretas de cada partícula. Para lograrlo, en el proyecto COFActiveCO2, financiado por el Consejo Europeo de Investigación, se recurrirá a la química reticular: un método de construcción de materiales mediante la unión de componentes básicos moleculares en marcos reticulados. De esto modo, se desarrollarán materiales avanzados con estructuras multicanal, es decir, vías que permitan a distintas partículas (electrones, iones y moléculas) desplazarse con eficacia y rapidez por rutas separadas. Estos canales cuidadosamente diseñados facilitarán reacciones químicas más eficientes en procesos como la electrólisis, donde un mejor transporte de partículas puede aumentar de forma considerable el rendimiento de la reacción.

Objetivo

The diffusion of particles such as electrons, photons, ions, and molecules in substances represents a basic phenomenon in the universe. By manual control of the diffusion of these particles, a directional transport can be achieved, enabling the invention of electricity, fiber-optic communication and desalination. The pursuit of more powerful control over transporting processes constitutes a foundation for technology evolution. This is exactly what this project aims to do.
The co-transport of multiple species in a single substance is typically prohibited in nature. This because different species have their own preferable transport environments, which are markedly disparate from one another. Optimizing the transport environment for different species in one material is therefore a great challenge, and the efforts of doing so often leads to undesired outcomes, such as trade-offs or even annihilation effects. However, the co-transport of multiple species is a necessity in technologies like electrolysis. Thus, a fundamental innovation in material science is needed to address the problem of simultaneous diffusions.
In COFActiveCO2, I will use reticular chemistry to construct macromolecular type framework materials with compartmentalized multi-channels for mixed transport. The project will realize unprecedentedly control over the simultaneous transport of electrons, ions and molecules, to achieve intercalated nano-flows at high flux. As a result, a large contact between hybrid nano-flows will greatly facilitate the chemical kinetics in electrochemical processes. The implementation of membrane reactors with such design will enable significant upgrade in the electrochemical conversion efficiency of working electrodes in CO2 electrolysis technology, thus paving the way for a sustainable future.