CO2 As a C1 Surrogate Under Electrocatalytic Conditions

Abstract

Aquesta tesi presenta estratègies electroquímiques innovadores per convertir el diòxid de carboni (CO2) en productes químics valuosos, abordant tant els reptes mediambientals com els industrials. Comença amb els principis teòrics de l'electroquímica i els mecanismes de reducció de CO2. Un assoliment clau és el desenvolupament d'un sistema de cascada electroquímica d'un sol compartiment per a la carbonilació del clorur de benzil, utilitzant CO2 com a alternativa més segura al gas CO tòxic. El sistema de doble catalitzador (porfirina de ferro per a la reducció de CO i níquel per a la carbonilació) va permetre la síntesi de cetones d'alt rendiment en condicions suaus. El procés va resultar escalable i eficient fins i tot a baixes concentracions de CO2. Els estudis mecanístics van confirmar el CO2 com l'intermedi crucial, amb elèctrodes de níquel que milloren la transferència d'electrons i el rendiment catalític. Les interaccions sinèrgiques entre els catalitzadors van ser essencials per a l'eficiència observada. El treball també s'estén a la síntesi de carbohidrats, demostrant un procés electrocatalític de múltiples passos que converteix el CO2 en sucres mitjançant un intermedi de formaldehid, imitant la fotosíntesi natural.

Esta tesis presenta estrategias electroquímicas innovadoras para convertir el dióxido de carbono (CO) en sustancias químicas valiosas, abordando desafíos ambientales e industriales. Comienza con los principios teóricos de la electroquímica y los mecanismos de reducción del CO2. Un logro clave es el desarrollo de un sistema electroquímico en cascada de un solo compartimento para la carbonilación del cloruro de bencilo, utilizando CO2 como alternativa más segura al gas tóxico CO. El sistema de doble catalizador (porfirina de hierro para la reducción del CO2 y níquel para la carbonilación) permitió la síntesis de Spanish cetonas de alto rendimiento en condiciones suaves. El proceso demostró ser escalable y eficiente incluso a bajas concentraciones de CO2. Estudios mecanísticos confirmaron que el CO2 es el intermediario crucial, y que los electrodos de níquel mejoran la transferencia de electrones y el rendimiento catalítico. Las interacciones sinérgicas entre los catalizadores fueron esenciales para la eficiencia observada.

This thesis presents innovative electrochemical strategies for converting carbon dioxide (CO2) into valuable chemicals, addressing both environmental and industrial challenges. It begins with the theoretical principles of electrochemistry and CO2 reduction mechanisms. A key achievement is the development of a single-compartment electrochemical cascade system for benzyl chloride carbonylation, using CO2 as a safer alternative to toxic CO gas. The dual-catalyst system—iron porphyrin for CO reduction and nickel for carbonylation—enabled high-yield ketone synthesis under mild conditions. The process English proved scalable and efficient even at low CO2 concentrations. Mechanistic studies confirmed CO2 as the crucial intermediate, with nickel electrodes enhancing electron transfer and catalytic performance. Synergistic interactions between the catalysts were essential for the observed efficiency. The work also extends to carbohydrate synthesis, demonstrating a multistep electrocatalytic process that converts CO2 into sugars via a formaldehyde intermediate, mimicking natural photosynthesis.