Gli scienziati hanno sviluppato un materiale attivato dalla luce che può convertire chimicamente l'anidride carbonica in monossido di carbonio senza generare sottoprodotti indesiderati. Il risultato segna un significativo passo avanti nello sviluppo di una tecnologia che potrebbe aiutare a generare carburante e altri prodotti ricchi di energia utilizzando un catalizzatore a energia solare, mitigando i livelli di un potente gas serra.

Quando esposto alla luce visibile, il materiale, una struttura cristallina organica di nichel "spugnoso", convertito l'anidride carbonica (CO2) in una camera di reazione esclusivamente in monossido di carbonio (CO) gas, che possono essere ulteriormente trasformati in combustibili liquidi, solventi, e altri prodotti utili.

Un team di ricerca internazionale guidato da scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia e della Nanyang Technological University (NTU) di Singapore ha pubblicato il lavoro il 28 luglio sulla rivista Progressi scientifici .

"Mostriamo una selettività vicina al 100% della produzione di CO, senza rilevamento di prodotti a gas concorrenti come idrogeno o metano, "ha detto Haimei Zheng, scienziato dello staff della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e co-autore dello studio. "Questo è un grosso problema. Nella riduzione dell'anidride carbonica, vuoi venire via con un prodotto, non un mix di cose diverse."

Sbarazzarsi della concorrenza

In chimica, la riduzione si riferisce al guadagno di elettroni in una reazione, mentre l'ossidazione è quando un atomo perde elettroni. Tra i ben noti esempi di riduzione dell'anidride carbonica c'è la fotosintesi, quando le piante trasferiscono elettroni dall'acqua all'anidride carbonica mentre creano carboidrati e ossigeno.

La riduzione dell'anidride carbonica ha bisogno di catalizzatori per aiutare a rompere i legami stabili della molecola. L'interesse per lo sviluppo di catalizzatori per la riduzione dell'anidride carbonica tramite energia solare per generare combustibili è aumentato con il rapido consumo di combustibili fossili nel secolo scorso, e con il desiderio di fonti energetiche rinnovabili.

I ricercatori si sono particolarmente interessati all'eliminazione delle reazioni chimiche concorrenti nella riduzione dell'anidride carbonica.

"La completa soppressione dell'evoluzione dell'idrogeno in competizione durante una conversione fotocatalitica da CO2 a CO non era stata raggiunta prima del nostro lavoro, " ha detto Zheng.

Al Berkeley Lab, Zheng e i suoi colleghi hanno sviluppato un metodo chimico laser innovativo per creare un materiale composito metallo-organico. Hanno sciolto i precursori del nichel in una soluzione di glicole trietilenico ed hanno esposto la soluzione a un laser a infrarossi non focalizzato, che innescava una reazione a catena nella soluzione mentre il metallo assorbiva la luce. La reazione risultante ha formato compositi metallo-organici che sono stati poi separati dalla soluzione.

"Quando abbiamo cambiato la lunghezza d'onda del laser, otterremmo diversi compositi, ", ha affermato l'autore principale dello studio Kaiyang Niu, uno scienziato dei materiali nel laboratorio di Zheng. "È così che abbiamo determinato che le reazioni erano attivate dalla luce piuttosto che attivate dal calore".

I ricercatori hanno caratterizzato la struttura del materiale presso la Molecular Foundry, un DOE Office of Science User Facility presso il Berkeley Lab. Il fotocatalizzatore nichel-organico aveva notevoli somiglianze con strutture metallo-organiche, o MOF. Mentre i MOF hanno una struttura cristallina regolare con legami rigidi tra i componenti organici e inorganici, questo nuovo fotocatalizzatore incorpora un mix di linker morbidi di varie lunghezze collegati con nichel, creare difetti nell'architettura.

"I difetti risultanti sono intenzionali, creando più pori e siti in cui possono verificarsi reazioni catalitiche, " ha detto Niu. "Questo nuovo materiale è più attivo e altamente selettivo rispetto ai MOF realizzati con il riscaldamento tradizionale".

Ridurre la CO2 in CO

Gli scienziati della NTU hanno testato il nuovo materiale in una camera a gas piena di anidride carbonica, misurare i prodotti di reazione mediante tecniche di gascromatografia e spettrometria di massa a intervalli di tempo regolari. Hanno determinato che in un'ora a temperatura ambiente, 1 grammo del catalizzatore nichel-organico è stato in grado di produrre 16, 000 micromoli, o 400 millilitri, di monossido di carbonio. Inoltre, hanno determinato che il catalizzatore aveva un promettente livello di stabilità che ne consentiva l'utilizzo per un periodo di tempo prolungato.

La riduzione dell'anidride carbonica mediante catalizzatori non è nuova, ma altri materiali in genere generano più sostanze chimiche nel processo. La produzione quasi totale di monossido di carbonio con questo materiale ha rappresentato un nuovo livello di selettività e controllo, hanno sottolineato i ricercatori.

I ricercatori hanno alcune riflessioni su come si verifica questa selettività. Suggeriscono che l'architettura del loro fotocatalizzatore rende più facile per gli anioni di anidride carbonica legarsi ai siti di reazione, lasciando poco spazio per l'atterraggio dei radicali idrogeno. Ciò limiterebbe i trasferimenti di protoni necessari per formare gas idrogeno, hanno detto i ricercatori.

I ricercatori hanno spinto ulteriormente il fotocatalizzatore organico al nichel arricchendolo con nanocristalli di rodio o argento per creare acidi formico e acetico, rispettivamente. Acido formico, si trova nel veleno delle formiche e nell'ortica, e acido acetico, il componente principale dell'aceto, sono entrambi ampiamente utilizzati nell'industria. Ma ancora più importante, i ricercatori hanno notato, le molecole di questi prodotti sono caratterizzate da legami a due atomi di carbonio, un passo verso la generazione di combustibili liquidi ad alta energia con più legami di carbonio

"Il mondo in questo momento ha bisogno di modi innovativi per creare alternative ai combustibili fossili, e per arginare i livelli di CO2 in eccesso nell'atmosfera, " ha detto Zheng. "Convertire la CO2 in combustibili utilizzando l'energia solare è uno sforzo di ricerca globale. Il fotocatalizzatore spugnoso al nichel-organico che abbiamo dimostrato qui è un passo fondamentale verso la produzione pratica di combustibili multicarbonio di alto valore utilizzando l'energia solare".