Modello a sfera e bastoncino dell'anidride carbonica. Credito:Wikipedia
Immagina un giorno in cui, invece di essere vomitato nell'atmosfera, i gas provenienti dalle centrali elettriche e dall'industria pesante vengono invece catturati e immessi in reattori catalitici che trasformano chimicamente gas serra come l'anidride carbonica in combustibili industriali o prodotti chimici e che emettono solo ossigeno.
È un futuro che, secondo Haotian Wang, potrebbe essere più vicino di quanto molti credano.
Fellow al Rowland Institute di Harvard, Wang e colleghi hanno sviluppato un sistema migliorato per utilizzare l'elettricità rinnovabile per ridurre l'anidride carbonica in monossido di carbonio, un prodotto chiave utilizzato in numerosi processi industriali. Il sistema è descritto in un articolo dell'8 novembre pubblicato su Joule , un giornale gemello lanciato di recente da Cell press.
"L'idea più promettente potrebbe essere quella di collegare questi dispositivi con centrali elettriche a carbone o altre industrie che producono molta CO 2 , " Wang ha detto. "Circa il 20 per cento di questi gas sono CO 2 , quindi se riesci a pomparli in questa cella... e combinarla con elettricità pulita, quindi possiamo potenzialmente produrre sostanze chimiche utili da questi rifiuti in modo sostenibile, e anche vicino parte di quella CO 2 ciclo."
Il nuovo sistema, Wang ha detto, rappresenta un drammatico passo avanti rispetto a quello che lui e i suoi colleghi hanno descritto per la prima volta in un articolo del 2017 su Chem.
Laddove quel vecchio sistema era a malapena delle dimensioni di un telefono cellulare e si basava su due camere piene di elettroliti, ognuno dei quali conteneva un elettrodo, il nuovo sistema è più economico e si basa su alte concentrazioni di CO 2 gas e vapore acqueo per operare in modo più efficiente:solo una cella di 10 x 10 centimetri, Wang ha detto, può produrre fino a quattro litri di CO all'ora.
Il nuovo sistema, Wang ha detto, affronta le due sfide principali, costo e scalabilità, che erano considerate limitanti l'approccio iniziale.
"In quel lavoro precedente, avevamo scoperto i catalizzatori a singolo atomo di nichel che sono molto selettivi per ridurre la CO 2 a CO... ma una delle sfide che abbiamo dovuto affrontare era che i materiali erano costosi da sintetizzare, "Ha detto Wang. "Il supporto che stavamo usando per ancorare singoli atomi di nichel era basato sul grafene, il che ha reso molto difficile la scalabilità se si voleva produrlo in scala di grammi o addirittura di chilogrammi per un uso pratico in futuro."
Per affrontare quel problema, Egli ha detto, il suo team si è rivolto a un prodotto commerciale migliaia di volte più economico del grafene come supporto alternativo:il nerofumo.
Utilizzando un processo simile all'attrazione elettrostatica, Wang e colleghi sono in grado di assorbire singoli atomi di nichel (caricati positivamente) nei difetti (caricati negativamente) nelle nanoparticelle di nerofumo, con il materiale risultante sia a basso costo che altamente selettivo per la CO 2 riduzione.
"Proprio adesso, il meglio che possiamo produrre sono i grammi, ma in precedenza potevamo produrre solo milligrammi per lotto, "Ha detto Wang. "Ma questo è limitato solo dall'attrezzatura di sintesi che abbiamo; se avessi un serbatoio più grande, potresti produrre chilogrammi o addirittura tonnellate di questo catalizzatore."
L'altra sfida che Wang e colleghi hanno dovuto superare era legata al fatto che il sistema originale funzionava solo in una soluzione liquida.
Il sistema iniziale funzionava utilizzando un elettrodo in una camera per dividere le molecole d'acqua in ossigeno e protoni. Mentre l'ossigeno gorgogliava via, i protoni condotti attraverso la soluzione liquida si sposterebbero nella seconda camera, dove, con l'aiuto del catalizzatore al nichel, si legherebbero con la CO 2 e rompi la molecola, lasciando CO e acqua. Quell'acqua potrebbe quindi essere reimmessa nella prima camera, dove sarebbe di nuovo diviso, e il processo ricomincerebbe.
"Il problema era che, il CO 2 possiamo ridurre in quel sistema solo quelli disciolti in acqua; la maggior parte delle molecole che circondano il catalizzatore erano acqua, " ha detto. "C'era solo una traccia di CO 2 , quindi era piuttosto inefficiente."
Sebbene si possa essere tentati di aumentare semplicemente la tensione applicata al catalizzatore per aumentare la velocità di reazione, che può avere la conseguenza involontaria di scindere l'acqua, non riduce la CO 2 , ha detto Wang.
"Se esaurisci la CO 2 che è vicino all'elettrodo, altre molecole devono diffondere all'elettrodo, e questo richiede tempo, " disse Wang. "Ma se stai aumentando la tensione, è più probabile che l'acqua circostante sfrutti questa opportunità per reagire e dividersi in idrogeno e ossigeno".
La soluzione si è rivelata relativamente semplice:per evitare la scissione dell'acqua, il team ha eliminato il catalizzatore dalla soluzione.
"Abbiamo sostituito quell'acqua liquida con vapore acqueo, e alimentare in CO . ad alta concentrazione 2 gas, " ha detto. "Quindi se il vecchio sistema era più del 99 percento di acqua e meno dell'1 percento di CO 2 , ora possiamo invertire completamente che, e pompa il 97 percento di CO 2 gas e solo il 3% di vapore acqueo in questo sistema. Prima che l'acqua liquida funzioni anche come conduttori di ioni nel sistema, e ora usiamo invece membrane a scambio ionico per aiutare gli ioni a muoversi senza acqua liquida.
"L'impatto è che possiamo fornire un ordine di grandezza maggiore di densità di corrente, " ha continuato. "In precedenza, stavamo operando a circa dieci milliampere per centimetro quadrato, ma oggi possiamo facilmente aumentare fino a 100 milliampere."
Andando avanti, Wang ha detto, il sistema ha ancora sfide da superare, in particolare legate alla stabilità.
"Se vuoi usarlo per avere un impatto economico o ambientale, deve avere un funzionamento continuo di migliaia di ore, " ha detto. "In questo momento, possiamo farlo per decine di ore, quindi c'è ancora un grande divario, ma credo che questi problemi possano essere affrontati con un'analisi più dettagliata sia della CO 2 catalizzatore di riduzione e il catalizzatore di ossidazione dell'acqua."
In definitiva, Wang ha detto, potrebbe venire il giorno in cui l'industria sarà in grado di catturare la CO 2 che ora viene rilasciato nell'atmosfera e trasformarlo in prodotti utili.
"Il monossido di carbonio non è un prodotto chimico di particolare pregio, " Wang ha detto. "Per esplorare più possibilità, il mio gruppo ha anche sviluppato diversi catalizzatori a base di rame che possono ridurre ulteriormente la CO 2 in prodotti che sono molto più preziosi."
Wang ha attribuito la libertà di cui godeva al Rowland Institute per aver contribuito a portare a scoperte come il nuovo sistema.
"Rowland mi ha fornito, come ricercatore all'inizio della carriera, una grande piattaforma per la ricerca indipendente, che avvia gran parte delle direzioni di ricerca che il mio gruppo continuerà a portare avanti, " ha detto Wang, che ha recentemente accettato una posizione alla Rice University. "Mi mancheranno sicuramente i miei giorni qui."
