Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno sviluppato un nuovo elettrocatalizzatore in grado di convertire direttamente l'anidride carbonica in combustibili multicarbonio e alcoli utilizzando input di energia record. Il lavoro è l'ultimo di una serie di studi usciti dal Berkeley Lab che affrontano la sfida di creare un sistema di produzione chimica pulito che possa fare buon uso dell'anidride carbonica.

Nel nuovo studio, pubblicato questa settimana su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ), un team guidato dallo scienziato del Berkeley Lab Peidong Yang ha scoperto che un elettrocatalizzatore costituito da nanoparticelle di rame ha fornito le condizioni necessarie per abbattere l'anidride carbonica per formare etilene, etanolo, e propanolo.

Tutti questi prodotti contengono da due a tre atomi di carbonio, e tutti sono considerati prodotti di alto valore nella vita moderna. L'etilene è l'ingrediente di base utilizzato per realizzare film e bottiglie di plastica, nonché tubi in cloruro di polivinile (PVC). Etanolo, comunemente fatto da biomassa, ha già stabilito il suo posto come additivo per biocarburanti per la benzina. Mentre il propanolo è un carburante molto efficace, attualmente è troppo costoso da fabbricare per essere utilizzato a tale scopo.

Per misurare l'efficienza energetica del catalizzatore, gli scienziati considerano il potenziale termodinamico dei prodotti - la quantità di energia che può essere ottenuta in una reazione elettrochimica - e la quantità di tensione extra necessaria al di sopra di quel potenziale termodinamico per guidare la reazione a velocità di reazione sufficienti. Quella tensione extra è chiamata sovratensione; più basso è il potenziale eccessivo, più efficiente è il catalizzatore.

"Ora è abbastanza comune in questo campo realizzare catalizzatori in grado di produrre prodotti multicarbonio da CO2, ma quei processi operano tipicamente a sovratensioni elevate di 1 volt per raggiungere quantità apprezzabili, " disse Yang, uno scienziato senior della facoltà presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab. "Quello che stiamo riportando qui è molto più impegnativo. Abbiamo scoperto un catalizzatore per la riduzione dell'anidride carbonica che opera ad alta densità di corrente con un sovrapotenziale record basso che è di circa 300 millivolt in meno rispetto ai tipici elettrocatalizzatori".

Cubo di rame

I ricercatori hanno caratterizzato l'elettrocatalizzatore presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab utilizzando una combinazione di spettroscopia fotoelettronica a raggi X, microscopia elettronica a trasmissione, e microscopia elettronica a scansione.

Il catalizzatore era costituito da sfere di rame strettamente impaccate, ciascuno di circa 7 nanometri di diametro, stratificato su carta carbone in modo fitto. I ricercatori hanno scoperto che durante il primissimo periodo dell'elettrolisi, cluster di nanoparticelle fuse e trasformate in nanostrutture cubiche. Le forme a forma di cubo avevano dimensioni comprese tra 10 e 40 nanometri.

"È dopo questa transizione che si verificano le reazioni per formare prodotti multicarbonio, ", ha affermato l'autore principale dello studio Dohyung Kim, uno studente laureato presso la divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab e presso il dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali della UC Berkeley. "Abbiamo cercato di iniziare con cubi di rame preformati su nanoscala, ma ciò non ha prodotto quantità significative di prodotti multicarbonio. È questo cambiamento strutturale in tempo reale dalle nanosfere di rame alle strutture a forma di cubo che sta facilitando la formazione di idrocarburi e ossigenati multicarbonio».

Non è ancora chiaro come esattamente ciò stia accadendo, disse Yang, che è anche professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della UC Berkeley.

"Quello che sappiamo è che questa struttura unica fornisce un ambiente chimico vantaggioso per la conversione della CO2 in prodotti multicarbonio, " ha detto. "Le forme cubiche e l'interfaccia associata possono fornire un luogo di incontro ideale dove l'anidride carbonica, acqua, e gli elettroni possono unirsi."

Tanti percorsi nel viaggio dalla CO2 al carburante

Quest'ultimo studio esemplifica come la riduzione dell'anidride carbonica sia diventata un'area sempre più attiva nella ricerca energetica negli ultimi anni. Invece di sfruttare l'energia del sole per convertire l'anidride carbonica in cibo vegetale, la fotosintesi artificiale cerca di utilizzare gli stessi ingredienti di partenza per produrre precursori chimici comunemente usati nei prodotti sintetici e combustibili come l'etanolo.

I ricercatori del Berkeley Lab hanno affrontato vari aspetti di questa sfida, come il controllo del prodotto che fuoriesce dalle reazioni catalitiche. Ad esempio, nel 2016, è stato sviluppato un sistema ibrido semiconduttore-batteri per la produzione di acetato da CO2 e luce solare. All'inizio di quest'anno, un altro gruppo di ricerca ha utilizzato un fotocatalizzatore per convertire l'anidride carbonica quasi esclusivamente in monossido di carbonio. Più recentemente, è stato segnalato un nuovo catalizzatore per la produzione efficace di miscele di gas di sintesi, o syngas.

I ricercatori hanno anche lavorato per aumentare l'efficienza energetica della riduzione dell'anidride carbonica in modo che i sistemi possano essere scalati per l'uso industriale.

Un recente documento condotto dai ricercatori del Berkeley Lab presso il Centro comune per la fotosintesi artificiale sfrutta la scienza fondamentale per mostrare come l'ottimizzazione di ogni componente di un intero sistema può raggiungere l'obiettivo della produzione di carburante a energia solare con tassi impressionanti di efficienza energetica.

Questo nuovo PNAS studio si concentra sull'efficienza del catalizzatore piuttosto che di un intero sistema, ma i ricercatori sottolineano che il catalizzatore può essere collegato a una varietà di fonti di energia rinnovabile, comprese le celle solari.

"Utilizzando valori già stabiliti per altri componenti, come celle solari commerciali ed elettrolizzatori, proiettiamo efficienze energetiche da elettricità a prodotto e solare a prodotto fino al 24,1 e 4,3 percento per i prodotti da due a tre carbonio, rispettivamente, " ha detto Kim.

Kim stima che se questo catalizzatore fosse incorporato in un elettrolizzatore come parte di un sistema di alimentazione solare, un materiale di soli 10 centimetri quadrati potrebbe produrre circa 1,3 grammi di etilene, 0,8 grammi di etanolo, e 0,2 grammi di propanolo al giorno.

"Con continui miglioramenti nei singoli componenti di un sistema di alimentazione solare, quei numeri dovrebbero continuare a migliorare nel tempo, " Egli ha detto.