Illustrazione di "fotosintesi artificiale, ' un processo mediante il quale la luce del sole, CO2, e l'acqua vengono convertiti nei laboratori in combustibili utili. Questo è l'obiettivo principale del Centro comune per la fotosintesi artificiale (JCAP), un hub di innovazione energetica del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), che cerca di "assicurare l'approvvigionamento energetico per le generazioni future". Credito:JCAP
I chimici hanno scoperto un nuovo, modo più efficiente per creare combustibili a base di carbonio dall'anidride carbonica (CO2). Nelle reazioni chimiche eseguite in laboratorio, un team di Caltech ha identificato un nuovo additivo che aiuta a convertire selettivamente la CO2 in combustibili contenenti più atomi di carbonio, un passo verso la produzione finale di combustibili liquidi rinnovabili che non derivano dal carbone o dal petrolio.
"I risultati sono stati piuttosto scioccanti, "dice Jonas Peters, Bren Professore di Chimica al Caltech e direttore del Resnick Sustainability Institute, che ha condotto congiuntamente la ricerca in collaborazione con Theodor Agapie, professore di chimica al Caltech. "Generalmente, in questi tipi di reazioni con CO2, vedi molti sottoprodotti come metano e idrogeno. In questo caso, la reazione era altamente selettiva per i combustibili più desiderabili che contengono più atomi di carbonio, come l'etilene, etanolo, e propanolo. Abbiamo visto una conversione dell'80 percento a questi prodotti combustibili multicarbonio, con solo il 20 percento circa che va in idrogeno e metano."
I combustibili con più atomi di carbonio sono più desiderabili perché tendono ad essere liquidi e i combustibili liquidi immagazzinano più energia per volume rispetto a quelli gassosi. Ad esempio, propanolo, che è liquido e contiene tre atomi di carbonio, immagazzina più energia del metano, che è un gas e ha un solo atomo di carbonio.
L'obiettivo di chimici come Peters, agapie, e i loro colleghi che lavorano presso il Centro comune per la fotosintesi artificiale (JCAP), un hub di innovazione energetica del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE), consiste nel creare artificialmente combustibili liquidi multicarbonio per il trasporto utilizzando gli ingredienti ampiamente disponibili della luce solare, acqua, e CO2. La nuova ricerca, pubblicato il 21 luglio nel Scienze Centrali ACS , e finanziato da JCAP, è un passo verso quell'obiettivo.
Questo diagramma illustra il processo mediante il quale i ricercatori del Caltech hanno convertito l'anidride carbonica (CO2) in prodotti combustibili contenenti più atomi di carbonio (i combustibili con più atomi di carbonio tendono ad essere liquidi e i combustibili liquidi immagazzinano più energia per volume rispetto a quelli a gas). Hanno usato un additivo chiamato arilpiridinio N-sostituito nelle loro reazioni chimiche, che ha depositato un film sottile su un elettrodo di rame. Il film ha aiutato a convertire in modo più selettivo la CO2 nei combustibili desiderati. Credito:Caltech
La ricerca dello studio è stata condotta dagli studiosi postdottorato del Caltech Ruud Kortlever e Hsiang-Yun Chen e dall'ex postdottorato Zhiji Han.
Per trovare la combinazione ideale per realizzare i combustibili multicarbonio, il team ha sperimentato un mix di diverse sostanze chimiche in laboratorio. Hanno usato una soluzione acquosa e un elettrodo di rame, che fungeva sia da catalizzatore che da fonte di energia al posto del sole. Il gruppo ha aggiunto CO2 alla soluzione, così come una classe di molecole organiche chiamate arilpiridinio N-sostituito, che formava un sottilissimo deposito sull'elettrodo. Questo film, per ragioni ancora non comprese, ha notevolmente migliorato la reazione di produzione del carburante, producendo selettivamente le sostanze chimiche desiderabili etanolo, etilene, e propanolo.
"È facile produrre idrogeno in queste condizioni, quindi di solito ne vediamo molto, " dice Agapie. "Ma noi vogliamo sfavorire la produzione di idrogeno e favorire combustibili liquidi ad alta densità energetica con legami carbonio-carbonio, che è esattamente ciò che otteniamo nei nostri esperimenti."
Un passo successivo è capire come gli additivi stanno migliorando la reazione. I ricercatori hanno anche in programma di testare additivi simili per vedere se possono migliorare ulteriormente la selettività per i combustibili desiderati. In definitiva, queste informazioni possono aiutare a portare a combustibili alternativi realizzati in modo efficiente dalla luce solare, CO2, e acqua, invece di olio.
"La natura ha immagazzinato l'energia solare sotto forma di petrolio per un lungo periodo della storia della terra attraverso un processo che richiede milioni di anni, " dice Peters. "I chimici vorrebbero capire come farlo molto più velocemente."
