Molecole redox carrier innovative per la cattura elettrochimica della CO2

The interest in CO2 valorisation, powered by clean energy sources, has been recently promoted due to a growing global focus on environmental issues, sustainability, and the transition toward a circular economy. An essential prerequisite for its utilization, is to have access to CO2 in a concentrated and pure form, thus assuming the capability to capture it from air or gas mixtures, where it is diluted, and to release it in a concentrated and purified state. In the actual state of the art, several technologies are being explored and optimized for CO2 capture. Among these, electrochemical approaches are particularly promising thanks to their ability to perform, in an energy-efficient manner, both the capture and release of CO2. This thesis focuses on the development of an electrochemical technology for CO2 capture in aqueous solution, namely pH-swing electrolyzer, which exploits an electrochemically induced pH shift, and where the OH- anions are responsible for CO2 capture, while H+ cations for its release. Such a pH shift can be achieved through water-splitting reactions, which usually require a significant and costly energy input and exhibit difficulties in gas evolution management. The main objective of this work is to lower the operating potentials required for these half-reactions by oxidizing or reducing alternative substrates, known as "redox carriers" – water-soluble organic molecules having redox properties. These compounds, acting as reversible redox substrate having a narrower potential window than water, have the peculiarity to generate the same acid–base gradient while reducing overall energy consumption and completely removing gas evolution reactions. These properties would significantly improve the overall technology, in terms of gas management, electrolyzer performance and market valorisation. A wide range of redox-active compounds are already known in the literature for this purpose, i.e. quinones, which can undergo reversible reduction to alcohols and subsequent re-oxidation. This thesis first explores the synthesis of naphtalenediimide derivatives (NDIs) as innovative redox carriers, with a focus on improving their water solubility. The synthesized compounds were chemically characterized and tested by fundamental electrochemical analyses to assess the redox behaviour of these molecules, employing techniques such as Cyclic Voltammetry, Chronopotentiometry, and Chronoamperometry. In the second phase of the study, an experimental setup to perform the CO2 capture was designed and initially developed using a commercially available molecule from the class of anthraquinone derivatives (X-AQ) as a model system. It was then optimized to evaluate the performance of the synthesized NDI redox carriers in electrochemical CO2 capture tests. The data obtained within this thesis highlight the significant potential of electrochemical technologies for sustainable carbon capture, providing perspectives for future industrial applications in the field of energy sustainability.

L’interesse per la valorizzazione della CO2, alimentata da fonti di energia pulita, è stato recentemente promosso a seguito della crescente attenzione globale verso le problematiche ambientali, la sostenibilità e la transizione verso un’economia circolare. Un prerequisito fondamentale per il suo utilizzo è la disponibilità di CO2 in forma concentrata e pura, il che implica la necessità di catturarla dall’aria o da miscele gassose, dove è presente in forma diluita, e rilasciarla in uno stato concentrato e purificato. Nello stato dell’arte attuale, diverse tecnologie sono in fase di esplorazione e ottimizzazione per la cattura della CO2. Tra queste, gli approcci elettrochimici risultano particolarmente promettenti grazie alla loro capacità di eseguire, in modo energeticamente efficiente, sia la cattura che il rilascio della CO2. Questa tesi si concentra sullo sviluppo di una tecnologia elettrochimica per la cattura della CO2 in soluzione acquosa, nota come "pH-swing electrolyzer", che sfrutta una variazione di pH indotta elettrochimicamente, in cui gli ioni OH⁻ sono responsabili della cattura della CO2, mentre i cationi H⁺ ne determinano il rilascio. Tale variazione di pH può essere ottenuta attraverso reazioni di water splitting, le quali, tuttavia, richiedono solitamente un elevato e oneroso input energetico e presentano difficoltà nella gestione dell’evoluzione gassosa. L’obiettivo principale di questo lavoro è ridurre i potenziali operativi richiesti per queste semireazioni, sfruttando l’ossidazione o la riduzione di substrati alternativi, definiti come "redox carrier" – molecole organiche idrosolubili dotate di proprietà redox. Questi composti, agendo come substrati redox reversibili con una finestra di potenziale più ristretta rispetto a quella dell’acqua, possiedono la peculiarità di generare lo stesso gradiente acido-base, riducendo al contempo il consumo energetico complessivo ed eliminando completamente le reazioni di evoluzione gassosa. Tali proprietà migliorerebbero significativamente la tecnologia complessiva, in termini di gestione dei gas, prestazioni dell’elettrolizzatore e valorizzazione sul mercato. In letteratura è già nota un’ampia gamma di composti redox-attivi per questo scopo, come le chinoni, che possono subire una riduzione reversibile a alcoli e una successiva riossidazione. In questo lavoro di tesi, viene esplorata la sintesi di derivati della naftalendiimmide (NDI) come redox carrier innovativi, con un focus sul miglioramento della loro solubilità in acqua. I composti sintetizzati sono stati caratterizzati chimicamente e testati tramite analisi elettrochimiche fondamentali per valutarne il comportamento redox, impiegando tecniche quali la Voltammetria Ciclica, la Cronopotenziometria e la la Cronoamperometria. Nella seconda fase dello studio, è stato progettato e sviluppato un setup sperimentale per eseguire la cattura della CO2, inizialmente impiegando una molecola commercialmente disponibile appartenente alla classe dei derivati dell’antrachinone (X-AQ) come sistema modello. Successivamente, il sistema è stato ottimizzato per valutare le prestazioni dei redox carrier NDI sintetizzati nei test di cattura elettrochimica della CO2. I dati ottenuti in questa tesi evidenziano il significativo potenziale delle tecnologie elettrochimiche per la cattura sostenibile del carbonio, aprendo prospettive per future applicazioni industriali nel campo della sostenibilità energetica.