La maggior parte delle auto e dei camion negli Stati Uniti funziona con una miscela di 90% di benzina e 10% di etanolo, un combustibile rinnovabile ottenuto principalmente da mais fermentato. Ma per produrre i 14 miliardi di galloni di etanolo consumati ogni anno dai conducenti americani sono necessari milioni di acri di terreno agricolo.

Una recente scoperta degli scienziati della Stanford University potrebbe portare a un nuovo, modo più sostenibile per produrre etanolo senza mais o altre colture. Questa promettente tecnologia ha tre componenti fondamentali:acqua, anidride carbonica ed elettricità erogata attraverso un catalizzatore di rame. I risultati sono pubblicati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

"Uno dei nostri obiettivi a lungo termine è produrre etanolo rinnovabile in un modo che non influisca sull'approvvigionamento alimentare globale, " ha detto il ricercatore principale dello studio Thomas Jaramillo, professore associato di ingegneria chimica a Stanford e di scienza dei fotoni allo SLAC National Accelerator Laboratory.

Gli scienziati vorrebbero progettare catalizzatori di rame che convertano selettivamente l'anidride carbonica in sostanze chimiche e combustibili di valore superiore, come etanolo e propanolo, con pochi o nessun sottoprodotto. Ma prima hanno bisogno di una chiara comprensione di come funzionano effettivamente questi catalizzatori. È qui che entrano in gioco le recenti scoperte.

Cristalli di rame

Per il PNAS studio, il team di Stanford ha scelto tre campioni di rame cristallino, noto come rame (100), rame (111) e rame (751). Gli scienziati usano questi numeri per descrivere le geometrie superficiali dei singoli cristalli.

"Rame (100), (111) e (751) sembrano praticamente identici ma presentano grandi differenze nel modo in cui i loro atomi sono disposti sulla superficie, " ha detto Christopher Hahn, uno scienziato dello staff associato presso SLAC e co-autore principale dello studio. "L'essenza del nostro lavoro è capire come queste diverse sfaccettature del rame influenzino le prestazioni elettrocatalitiche".

Negli studi precedenti, gli scienziati avevano creato elettrodi di rame a cristallo singolo di appena 1 millimetro quadrato.

"Con un cristallo così piccolo, è difficile identificare e quantificare le molecole che si producono sulla superficie, " Hahn ha spiegato. "Questo porta a difficoltà nella comprensione delle reazioni chimiche, quindi il nostro obiettivo era realizzare elettrodi di rame più grandi con la qualità superficiale di un singolo cristallo".

Per creare campioni più grandi, Hahn e i suoi collaboratori allo SLAC hanno sviluppato un nuovo modo per coltivare rame simile a un cristallo singolo su grandi wafer di silicio e zaffiro.

"Quello che ha fatto Chris è stato fantastico, " disse Jaramillo. " Fece film di rame (100), (111) e (751) con superfici di 6 centimetri quadrati. È 600 volte più grande dei tipici cristalli singoli.

Prestazioni catalitiche

Per confrontare le prestazioni elettrocatalitiche, i ricercatori hanno posizionato i tre grandi elettrodi in acqua, li ha esposti al gas di anidride carbonica e ha applicato un potenziale per generare una corrente elettrica.

I risultati sono stati chiari. Quando è stata applicata una tensione specifica, gli elettrodi in rame (751) erano molto più selettivi per i prodotti liquidi, come etanolo e propanolo, rispetto a quelli in rame (100) o (111). La spiegazione potrebbe risiedere nei diversi modi in cui gli atomi di rame sono allineati sulle tre superfici.

"In rame (100) e (111), gli atomi di superficie sono imballati vicini tra loro, come una griglia quadrata e un favo, rispettivamente", ha detto Hahn. "Di conseguenza, ogni atomo è legato a molti altri atomi che lo circondano, e questo tende a rendere la superficie più inerte."

Ma in rame (751), gli atomi di superficie sono più distanti.

"Un atomo di rame (751) ha solo due vicini più prossimi, " Hahn ha detto. "Ma un atomo che non è legato ad altri atomi è abbastanza infelice, e questo fa desiderare di legarsi più forte ai reagenti in arrivo come l'anidride carbonica. Riteniamo che questo sia uno dei fattori chiave che portano a una migliore selettività verso prodotti di maggior valore, come etanolo e propanolo."

In definitiva, il team di Stanford vorrebbe sviluppare una tecnologia in grado di produrre selettivamente combustibili e prodotti chimici a emissioni zero su scala industriale.

"L'obiettivo è creare catalizzatori migliori che abbiano un potenziale rivoluzionario prendendo l'anidride carbonica come materia prima e convertendola in prodotti molto più preziosi utilizzando direttamente l'elettricità rinnovabile o la luce solare, " ha detto Jaramillo. " Abbiamo in programma di utilizzare questo metodo su nichel e altri metalli per comprendere ulteriormente la chimica in superficie. Riteniamo che questo studio sia un pezzo importante del puzzle e aprirà nuove vie di ricerca per la comunità".

Jaramillo è anche vicedirettore del SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, una partnership della Stanford School of Engineering e SLAC.

Lo studio è stato scritto anche dal co-autore principale Toru Hatsukade, Drew Higgins e Stephanie Nitopi a Stanford; Youn-Geun Kim allo SLAC; e Jack Baricuatro e Manuel Soriaga al California Institute of Technology.