Copper catalysts: bimetallic nanoparticles and single atoms for CO2 electroreduction

206 páginas.-- Tesis doctoral presentada el 11/07/2025 para obtener el grado de Doctor en Ingeniería Química y del Medio Ambiente por la Universidad de Zaragoza.-- Sobresaliente Cum Laude.-- Mención de Doctorado Internacional.

Detalhes bibliográficos
Autor: Gutiérrez Roa, Manuel
Tipo de documento: tese
Data de publicação:2025
País:España
Recursos:Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)
Repositório:DIGITAL.CSIC. Repositorio Institucional del CSIC
OAI Identifier:oai:digital.csic.es:10261/396773
Acesso em linha:http://hdl.handle.net/10261/396773
Access Level:Acceso aberto
Palavra-chave:Electrochemistry
CO2 reduction reaction
Catalysts
Copper
Carbon materials
Electroquímica
Reacción de reducción de CO2
Catalizadores
Cobre
Materiales de carbono
http://metadata.un.org/sdg/7
http://metadata.un.org/sdg/13
Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy for all
Take urgent action to combat climate change and its impacts
electrochemistry
catalysts
copper
nanomaterials
Environmental chemistry
Renewable energy sources
id ES_df0b8635b5c43fa2e81ab8d748e264dd
oai_identifier_str oai:digital.csic.es:10261/396773
network_acronym_str ES
network_name_str España
repository_id_str
dc.title.none.fl_str_mv Copper catalysts: bimetallic nanoparticles and single atoms for CO2 electroreduction
title Copper catalysts: bimetallic nanoparticles and single atoms for CO2 electroreduction
spellingShingle Copper catalysts: bimetallic nanoparticles and single atoms for CO2 electroreduction
Gutiérrez Roa, Manuel
Electrochemistry
CO2 reduction reaction
Catalysts
Copper
Carbon materials
Electroquímica
Reacción de reducción de CO2
Catalizadores
Cobre
Materiales de carbono
http://metadata.un.org/sdg/7
http://metadata.un.org/sdg/13
Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy for all
Take urgent action to combat climate change and its impacts
electrochemistry
catalysts
copper
nanomaterials
Environmental chemistry
Renewable energy sources
title_short Copper catalysts: bimetallic nanoparticles and single atoms for CO2 electroreduction
title_full Copper catalysts: bimetallic nanoparticles and single atoms for CO2 electroreduction
title_fullStr Copper catalysts: bimetallic nanoparticles and single atoms for CO2 electroreduction
title_full_unstemmed Copper catalysts: bimetallic nanoparticles and single atoms for CO2 electroreduction
title_sort Copper catalysts: bimetallic nanoparticles and single atoms for CO2 electroreduction
dc.creator.none.fl_str_mv Gutiérrez Roa, Manuel
author Gutiérrez Roa, Manuel
author_facet Gutiérrez Roa, Manuel
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Pérez Rodríguez, Sara
Sebastián del Río, David
Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (España)
Agencia Estatal de Investigación (España)
European Commission
Gobierno de Aragón
Universidad de Zaragoza
Ibercaja Obra Social
Fundación Caja Inmaculada
Campus Iberus - Campus de Excelencia Internacional del Valle del Ebro
Gutiérrez Roa, Manuel [0009-0007-2395-2257]
Gutiérrez Roa, Manuel [mgutierrez@icb.csic.es]
Consejo Superior de Investigaciones Científicas [https://ror.org/02gfc7t72]
dc.subject.none.fl_str_mv Electrochemistry
CO2 reduction reaction
Catalysts
Copper
Carbon materials
Electroquímica
Reacción de reducción de CO2
Catalizadores
Cobre
Materiales de carbono
http://metadata.un.org/sdg/7
http://metadata.un.org/sdg/13
Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy for all
Take urgent action to combat climate change and its impacts
electrochemistry
catalysts
copper
nanomaterials
Environmental chemistry
Renewable energy sources
topic Electrochemistry
CO2 reduction reaction
Catalysts
Copper
Carbon materials
Electroquímica
Reacción de reducción de CO2
Catalizadores
Cobre
Materiales de carbono
http://metadata.un.org/sdg/7
http://metadata.un.org/sdg/13
Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy for all
Take urgent action to combat climate change and its impacts
electrochemistry
catalysts
copper
nanomaterials
Environmental chemistry
Renewable energy sources
description 206 páginas.-- Tesis doctoral presentada el 11/07/2025 para obtener el grado de Doctor en Ingeniería Química y del Medio Ambiente por la Universidad de Zaragoza.-- Sobresaliente Cum Laude.-- Mención de Doctorado Internacional.
publishDate 2025
dc.date.none.fl_str_mv 2025
2025
2025
dc.type.none.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
format doctoralThesis
dc.identifier.none.fl_str_mv http://hdl.handle.net/10261/396773
url http://hdl.handle.net/10261/396773
dc.language.none.fl_str_mv Inglés
language_invalid_str_mv Inglés
dc.relation.none.fl_str_mv #PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#
#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#
info:eu-repo/grantAgreement/AEI/Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2017-2020/PID2020-115848RB-C21
info:eu-repo/grantAgreement/AEI/Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2021-2023/CNS2023-144433
Sí
dc.rights.none.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidad de Zaragoza
CSIC - Instituto de Carboquímica (ICB)
publisher.none.fl_str_mv Universidad de Zaragoza
CSIC - Instituto de Carboquímica (ICB)
dc.source.none.fl_str_mv reponame:DIGITAL.CSIC. Repositorio Institucional del CSIC
instname:Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)
instname_str Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)
reponame_str DIGITAL.CSIC. Repositorio Institucional del CSIC
collection DIGITAL.CSIC. Repositorio Institucional del CSIC
repository.name.fl_str_mv
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1869422028980748288
spelling Copper catalysts: bimetallic nanoparticles and single atoms for CO2 electroreductionGutiérrez Roa, ManuelElectrochemistryCO2 reduction reactionCatalystsCopperCarbon materialsElectroquímicaReacción de reducción de CO2CatalizadoresCobreMateriales de carbonohttp://metadata.un.org/sdg/7http://metadata.un.org/sdg/13Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy for allTake urgent action to combat climate change and its impactselectrochemistrycatalystscoppernanomaterialsEnvironmental chemistryRenewable energy sources206 páginas.-- Tesis doctoral presentada el 11/07/2025 para obtener el grado de Doctor en Ingeniería Química y del Medio Ambiente por la Universidad de Zaragoza.-- Sobresaliente Cum Laude.-- Mención de Doctorado Internacional.[EN] The electrochemical conversion of carbon dioxide is a key strategy for contributing to the energy transition by converting CO2, a major greenhouse gas, into valuable chemicals and fuels, such as formic acid, methane, or ethylene. This process can be implemented in co-electrolysis systems that combine the CO2 reduction reaction (CO2RR) with water electrolysis, using renewable electricity as the energy source. However, the practical implementation of CO2RR currently faces significant challenges, including high electric consumption due to elevated overpotentials, low product selectivity, and competition with the hydrogen evolution reaction (HER). These limitations highlight the importance of developing advanced electrocatalysts capable of improving efficiency and directing the reaction towards desired products. This PhD Thesis investigates the synthesis, characterisation, and evaluation of Cu-based catalysts for CO2RR, considering the unique ability of copper to reduce CO2 into a variety of fuels and chemicals. Two distinct groups of catalysts were designed and developed: bimetallic CuPt nanoparticles deposited onto carbon supports (CuPt/C) and atomically dispersed copper embedded in nitrogen-doped carbon matrices (Cu-N-CXG). The development of CuPt/C catalysts focused on adjusting different key physico-chemical features, including nanoparticle size, the atomic Cu:Pt ratio, and the carbon support, through the variation of synthesis parameters. The Cu:Pt ratio was varied to assess its influence on CO2RR selectivity towards various products such as formate. Furthermore, various carbon supports with distinct textural and structural properties were synthesised to enhance CuPt nanoparticle distribution and improve the diffusion of reactants and products. These combined strategies demonstrate that optimising synthesis parameters is essential to achieving efficient and selective CO2RR performance with CuPt/C catalysts. The Cu single-atom catalysts were developed by varying key synthesis parameters, including the type of copper precursor, copper content, and the inclusion of post-synthesis treatments. This approach aimed to optimise the density and accessibility of Cu-NX active sites, primarily affecting selectivity, with catalysts exhibiting variable production of CO and H2 depending on the synthesis conditions. Additionally, the influence of the carbon matrix on selectivity was investigated, focusing on the role of nitrogen functionalities in modulating product distribution. A variety of advanced techniques was employed to comprehensively understand the physicochemical features of the carbon materials and the synthesised catalysts, focusing on their structural, textural, and morphological properties. Additionally, different electrochemical techniques were utilised to gain key insights into the electrochemical performance of the catalysts. Chromatography techniques were used to identify and quantify CO2RR products, while rotating ring-disc electrode (RRDE) technique enabled real-time detection of CO2RR products, offering valuable information on product selectivity. This thesis advances the understanding of CO2RR mechanisms and identifies key factors for optimising catalyst performance, including particle size, bimetallic nanoparticle composition, and the role of carbonaceous materials in enhancing the structural properties of the catalysts and influencing their electrochemical behaviour. Ultimately, the development of these PhD Thesis provides valuable contributions to the knowledge of CO2 reduction, the advancement of CO2 electrochemical conversion technologies, and the addressing of key challenges in sustainable energy transitions and climate change mitigation.[ES] La conversión electroquímica del dióxido de carbono es una estrategia fundamental en la transición energética, ya que permite transformar el CO2, un importante gas de efecto invernadero, en productos químicos y combustibles valiosos, como ácido fórmico, metano o etileno. Este proceso puede implementarse en sistemas de coelectrólisis que combinan la reacción de reducción de CO2 (CO2RR) con la electrólisis del agua, utilizando electricidad renovable como fuente de energía. Sin embargo, la aplicación de la CO2RR enfrenta desafíos significativos, como el alto consumo eléctrico debido a elevados sobrepotenciales, la baja selectividad de productos y la competencia con la reacción de evolución de hidrógeno (HER). Estas limitaciones destacan la necesidad de desarrollar electrocatalizadores avanzados que aumenten la eficiencia y mejoren la selectividad de la reacción hacia los productos deseados. Esta tesis doctoral aborda la síntesis, caracterización y evaluación de catalizadores a base de cobre para la CO2RR, aprovechando su capacidad única para transformar CO2 en diversos combustibles y productos químicos. Durante esta investigación, se diseñaron y desarrollaron dos grupos de catalizadores: nanopartículas bimetálicas de CuPt depositadas en soportes de carbono (CuPt/C) y cobre atómicamente disperso en matrices de carbono dopadas con nitrógeno (Cu-N-CXG). El desarrollo de los catalizadores CuPt/C se centró en el ajuste de diferentes características físico-químicas, como el tamaño de nanopartícula, la relación atómica Cu:Pt y el soporte de carbono, por medio de la variación de parámetros de síntesis. La relación Cu:Pt se varió para evaluar su influencia en la selectividad de la CO₂RR hacia distintos productos, incluido el formiato. Además, se sintetizaron soportes de carbono con propiedades texturales y estructurales específicas para optimizar la distribución de las nanopartículas CuPt y la difusión de reactivos y productos. Estas estrategias combinadas ponen de manifiesto la importancia de optimizar los parámetros de síntesis para mejorar la eficiencia y selectividad de la CO2RR con catalizadores CuPt/C. Los catalizadores de Cu atómicamente disperso se desarrollaron variando parámetros de síntesis, como el tipo de precursor de cobre, el contenido de cobre y la inclusión de tratamientos posteriores a la síntesis. Este enfoque buscó optimizar la densidad y accesibilidad de los sitios activos Cu-NX, influyendo principalmente en la selectividad, con catalizadores que mostraron una producción variable de CO y H2 según las condiciones de síntesis. Asimismo, se analizó la influencia de la matriz de carbono en la selectividad, centrándose en el papel de las funcionalidades nitrogenadas en la modulación de la distribución de productos. Durante la tesis se emplearon diferentes técnicas avanzadas para comprender de manera integral las características fisicoquímicas de los materiales de carbono y los catalizadores sintetizados, centrándose principalmente en sus propiedades estructurales, texturales y morfológicas. Además, se utilizaron distintas técnicas electroquímicas para analizar el comportamiento electroquímico de los catalizadores. En concreto, se emplearon técnicas de cromatografía para identificar y cuantificar los productos de la CO2RR, mientras que el uso del electrodo de disco-anillo rotatorio (RRDE) permitió la detección en tiempo real de productos de la CO2RR, proporcionando información valiosa sobre la selectividad hacia ciertos productos. En general, esta tesis profundiza en la comprensión de los mecanismos de la CO2RR e identifica factores clave para optimizar el rendimiento de los catalizadores, como el tamaño de partícula, la composición de las nanopartículas bimetálicas y el papel de los materiales de carbono en las propiedades estructurales de los catalizadores y en su comportamiento electroquímico. En última instancia, esta tesis doctoral contribuye al conocimiento sobre la reducción de CO2, el avance de las tecnologías de conversión electroquímica de CO2 y la mitigación del cambio climático.Los autores agradecen la financiación de los proyectos PID2020-115848RB-C21 "STORELEC" y CNS2023-144433 "ALCOELECTRO" (MICIU/AEI/10.13039/501100011033 y NextGenerationEU/PRTR), así como el apoyo del Gobierno de Aragón (DGA) al Grupo de Conversión de Combustibles (T06_23R) y al proyecto LMP253_21. Asimismo, Manuel Gutiérrez-Roa agradece la financiación de la Universidad de Zaragoza, Fundación Ibercaja, Fundación CAI (IT 11/23) y el Programa Iberus+: Movilidad para doctorandos.Peer reviewedUniversidad de ZaragozaCSIC - Instituto de Carboquímica (ICB)Pérez Rodríguez, SaraSebastián del Río, DavidMinisterio de Ciencia, Innovación y Universidades (España)Agencia Estatal de Investigación (España)European CommissionGobierno de AragónUniversidad de ZaragozaIbercaja Obra SocialFundación Caja InmaculadaCampus Iberus - Campus de Excelencia Internacional del Valle del EbroGutiérrez Roa, Manuel [0009-0007-2395-2257]Gutiérrez Roa, Manuel [mgutierrez@icb.csic.es]Consejo Superior de Investigaciones Científicas [https://ror.org/02gfc7t72]202520252025info:eu-repo/semantics/doctoralThesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06application/pdfhttp://hdl.handle.net/10261/396773reponame:DIGITAL.CSIC. Repositorio Institucional del CSICinstname:Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)Inglés#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE##PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#info:eu-repo/grantAgreement/AEI/Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2017-2020/PID2020-115848RB-C21info:eu-repo/grantAgreement/AEI/Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2021-2023/CNS2023-144433Síinfo:eu-repo/semantics/openAccessoai:digital.csic.es:10261/3967732026-05-22T06:33:51Z
score 15,812429

Registros relacionados