Modelización de los efectos del electrolito en la reducción de CO₂

8th septiembre 2025 – Un equipo de investigación liderado por la profesora Nuria López, del ICIQ, y la profesora Sophia Haussener, de la EPFL, ha desarrollado una metodología ab-initio multiescala para la reducción electroquímica de CO₂ (e-CO₂R). Al combinar la cinética a escala atómica con los efectos de transporte, el equipo ha identificado condiciones óptimas de electrolito que mejoran la selectividad de los productos de la e-CO₂R.

La e-CO₂R es una tecnología prometedora para convertir gases de efecto invernadero dañinos en productos químicos y combustibles valiosos utilizando electricidad renovable. Aunque los materiales catalíticos han sido ampliamente estudiados, el entorno del electrolito que los rodea también influye fuertemente en la reactividad y en las eficiencias faradaicas. A pesar de los avances en el diseño computacional de catalizadores mediante relaciones de escalado y diagramas “volcán”, el diseño racional de microentornos de electrolito había sido poco explorado.

El equipo ha cubierto esta laguna al acoplar la modelización microcinética ab-initio con simulaciones de transporte a escala continua, considerando explícitamente los efectos del electrolito en todas las escalas de longitud relevantes. Para los electrolitos líquidos, los resultados mostraron una relación inversa entre la concentración de cationes y la disponibilidad de CO₂ en la interfase del catalizador. Esto dio lugar a una relación de tipo “volcán” entre las densidades de corriente y el número de microentornos en la interfase electrodo/electrolito. Al extender la metodología a configuraciones realistas de membranas/electrodos, los investigadores demostraron que, aunque los ionómeros pueden superar esta limitación gracias a las concentraciones de carga fija, la gestión del agua se vuelve crítica para alcanzar altas densidades de corriente.

Estos hallazgos se publicaron recientemente en la revista Nature Catalysis, marcando un paso importante hacia el diseño racional de electrolitos.

La profesora López afirmó: “Esta es una colaboración a largo plazo y fantástica entre dos grupos de computación para modelizar las interfases electroquímicas. Toda la información que normalmente es difícil de obtener mediante la caracterización experimental ahora queda disponible gracias al modelo multiescala ab-initio.”

La profesora Haussener añadió: “La modelización multiescala es esencial para capturar las complejas interacciones en las interfases electrodo/electrolito y guiar el diseño de sistemas e-CO₂R eficientes. Nuestro enfoque innovador surge de la combinación de conocimientos de distintos campos en equipos interdisciplinarios.”

De cara al futuro, los investigadores planean ampliar sus metodologías para modelizar los electrolizadores de difusión de gas y las configuraciones de electrodo de membrana de separación cero, esenciales para optimizar los electrolizadores a escala industrial. Este trabajo tiene amplias implicaciones para el desarrollo de tecnologías predictivas de gemelo digital, no solo para la e-CO₂R, sino también para otros procesos electroquímicos como la electrosíntesis de compuestos orgánicos.

Publicación de referencia

Microenvironment effects in electrochemical CO2 reduction from first-principles multiscale modelling
Lorenzutti, F.; Seemakurthi, R. R.; Johnson, E. F.; Morandi, S.; Nikačević, P.; López, N.; Haussener, S.
Nat. Catal. 2025
DOI: 10.1038/s41929-025-01399-2