Mustafa, Mustafa (2026) Data-Driven Optimization of Perovskite Cathode Selection for Efficient and Sustainable Co₂ Electroreduction. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Mustafa Mustafa_202393350_Thesis_Final.pdf Restricted to Repository staff only until 17 August 2027. Download (4MB)

Arabic Abstract

يوفّر الاختزال الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون (CO₂RR) مسارًا لربط ثاني أكسيد الكربون الملتقط بالكهرباء المتجددة من أجل إنتاج مواد كيميائية وسيطة مثل الفورمات وحمض الفورميك. ومع ذلك، فإن اختيار المحفزات في تفاعل اختزال ثاني أكسيد الكربون غالبًا ما يعتمد على مؤشرات كهروكيميائية منفردة، ولا سيما كفاءة فاراداي وكثافة التيار، دون الأخذ في الاعتبار الكامل لأعباء تصنيع المحفزات، واستخدام الموارد، والسمّية، أو تكلفة الإنتاج. تعالج هذه الدراسة هذه الفجوة من خلال تطوير إطار متكامل يجمع بين تقييم دورة الحياة، والتحليل التقني-الاقتصادي، واتخاذ القرار متعدد المعايير لسبعة محفزات بيروفسكايتية مذكورة في الأدبيات لاختزال ثاني أكسيد الكربون إلى فورمات، وهي: LaInO3 وYbBiO3 وLBSO-6% وCsPbI3 وCs3Bi2I9 وCs3Bi2Br9 و Ba0.5Sr0.5SnO3. تم إعداد جرد أمامي لإنتاج المحفز من المهد إلى البوابة اعتمادًا على بروتوكولات التصنيع المنشورة، وتم تقييمه باستخدام مؤشرات ReCiPe 2016 عند مستويي المنتصف والنهاية. كما تم إجراء تحليل تقني-اقتصادي على مستوى العملية لتقدير التكلفة المستوية للمنتج، في حين استُخدمت عملية التحليل الهرمي لتجميع مؤشرات الأثر البيئي النهائي، والتكلفة المستوية للمنتج، وكفاءة فاراداي ضمن سيناريوهات ترجيح بيئية واقتصادية وتقنية. تُظهر النتائج أن الأعباء البيئية ما تزال متباينة بوضوح بين المحفزات، حيث يسجل كل من Ba0.5Sr0.5SnO3 وLBSO-6% أقل الأعباء، بينما يهيمن CsPbI3 من ناحية السمية. كما تختلف مساحة المحلل الكهربائي بمقدار 6.5 مرات، من 643 م² لمحفز Ba0.5Sr0.5SnO3 إلى 4,153 م² لمحفز LaInO3، في حين يبقى الطلب النوعي على الكهرباء ضمن نطاق ضيق يتراوح بين 4.15 و5.12 كيلوواط ساعة كغ⁻¹ من HCOOH، مع تغير معتدل في التكلفة المستوية للمنتج. ويبرز Ba0.5Sr0.5SnO3 بوصفه أفضل محفز وأكثر ثباتًا عبر السيناريوهات، إذ يجمع بين أدنى تكلفة رأسمالية للمحلل الكهربائي، وأصغر مساحة فعالة، وآثار مفضلة من المهد إلى البوابة، وترتيب أول في عملية التحليل الهرمي عبر جميع السيناريوهات. ويأتي LBSO-6% في المرتبة الثانية بشكل متسق، بينما يتراجع ترتيب Cs3Bi2I9 و CsPbI3 بسبب ضعف أدائهما المركب. وتوضح هذه الأطروحة أن الاختيار القوي لمحفزات اختزال ثاني أكسيد الكربون يتطلب تقييمًا متكاملًا يجمع بين الجوانب البيئية والاقتصادية والتقنية، بدلًا من الاعتماد على الأداء الكهروكيميائي وحده.

English Abstract

Electrochemical carbon dioxide reduction (CO2RR) offers a route to couple captured CO2 with renewable electricity to produce chemical intermediates such as formate and formic acid. However, catalyst selection for CO2RR is often guided by isolated electrochemical metrics, mainly Faradaic efficiency and current density, without fully considering catalyst-synthesis burdens, resource use, toxicity, or production cost. This study addresses this gap by developing an integrated life cycle, techno economic, and multi-criteria decision framework for seven literature reported perovskite catalysts for CO2 reduction to formate: LaInO3, YbBiO3, LBSO-6%, CsPbI3, Cs3Bi2I9, Cs3Bi2Br9, and Ba0.5Sr0.5SnO3. A foreground cradle-to-gate catalyst-production inventory was constructed from published synthesis protocols and assessed using ReCiPe 2016 midpoint and endpoint indicators. A process-level techno-economic assessment estimated the levelized cost of product, while an Analytic Hierarchy Process aggregated environmental endpoints, LCOP, and faradaic efficiency under environmental, economic, and technical weighting scenarios. The results show that environmental burdens remain highly differentiated, with Ba0.5Sr0.5SnO3 and LBSO-6% lowest, and CsPbI3 dominant in toxicity. Electrolyzer area varies by 6.5-fold, from 643 m² for Ba0.5Sr0.5SnO3 to 4,153 m² for LaInO3, while specific electricity demand is narrow at 4.15–5.12 kWh kg⁻¹ HCOOH and LCOP varies moderately. Ba₀.₅Sr₀.₅SnO₃ emerges as the scenario robust best catalyst, combining the lowest electrolyzer CAPEX, smallest active area, favorable cradle-to-gate impacts, and first-place AHP rankings across all scenarios. LBSO-6% is the consistent runner-up, while Cs3Bi2I9 and CsPbI3 are penalized by weaker combined profiles. The thesis demonstrates that robust CO₂RR catalyst selection requires integrated environmental, economic, and technical assessment rather than electrochemical performance alone.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Mohamed El-samadony,
Thesis Committee Members:	Mian Mobeen Shaukat, Haitham Elnakar,
Depositing User:	MUSTAFA MUSTAFA
Date Deposited:	17 Aug 2026 10:43
Last Modified:	17 Aug 2026 10:43
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144713