I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Chicago e del Centro comune per la fotosintesi artificiale hanno determinato come gli elettrocatalizzatori possono convertire l'anidride carbonica in monossido di carbonio utilizzando acqua ed elettricità. La scoperta può portare allo sviluppo di elettrocatalizzatori efficienti per la produzione su larga scala di gas di sintesi, una miscela di monossido di carbonio e idrogeno.

"La riduzione elettrochimica dell'anidride carbonica ai combustibili è un argomento di notevole interesse perché offre un mezzo per immagazzinare energia elettrica da fonti energetiche come il vento e la radiazione solare sotto forma di legami chimici, " disse Meenesh Singh, assistente professore di ingegneria chimica e autore principale dello studio pubblicato sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Durante la sua ricerca post-dottorato presso l'Università della California, Berkeley, Singh ha studiato la fotosintesi artificiale e faceva parte di un team che ha sviluppato foglie artificiali che, se esposto alla luce solare diretta, erano in grado di convertire l'anidride carbonica in combustibili.

Nelle sue ultime ricerche, Singh ha sviluppato un modello multiscala all'avanguardia che unisce un'analisi quanto-chimica del percorso di reazione; un modello microcinetico della dinamica di reazione; e un modello continuo per il trasporto di specie nell'elettrolita per apprendere con precisione come l'anidride carbonica può essere ridotta elettrochimicamente attraverso un catalizzatore, in questo caso argento, e trasformato in monossido di carbonio.

Mentre il percorso di reazione più plausibile viene solitamente identificato dal calcolo quantistico del percorso a energia libera più basso, questo approccio può essere fuorviante quando le coperture delle specie adsorbite differiscono in modo significativo, ha detto Singh. È essenziale, perciò, integrare gli effetti degli stati elettronici di un catalizzatore a livello atomico con la dinamica delle specie nell'elettrolita a livello continuo per una previsione accurata dei percorsi di reazione elettrocatalitica.

"Questo modello multiscala è uno dei più grandi traguardi dell'elettrochimica, " Egli ha detto.

Per capire come funzionano gli elettrocatalizzatori nelle celle a combustibile o nelle celle elettrochimiche, gli scienziati devono prima sondare i livelli elettronici e quantistici, che può essere estremamente impegnativo in presenza di un campo elettrico, disse Jason Goodpaster, assistente professore di chimica presso l'Università del Minnesota e uno dei coautori. Singh e Goodpaster hanno impiegato più di un anno per produrre individualmente e confrontare i modelli e integrarli in una struttura multiscala per la simulazione su vasta scala della reazione elettrochimica.

Questa è la prima volta, Singh ha detto, che gli scienziati hanno previsto quantitativamente dai primi principi, la densità di corrente del monossido di carbonio e dell'idrogeno in funzione del potenziale applicato e della pressione dell'anidride carbonica.

"Una volta che si riconosce come si verificano queste reazioni sugli elettrocatalizzatori, è possibile controllare la struttura dei catalizzatori e le condizioni operative per produrre monossido di carbonio in modo efficiente, " ha detto Singh. Poiché sono gas prodotti, il monossido di carbonio e l'idrogeno sono insolubili negli elettroliti acquosi, possono essere facilmente separati come gas di sintesi e convertiti in combustibili come il metanolo, dimetiletere, o una miscela di idrocarburi.

Elettrocatalizzatori come l'oro, d'argento, zinco, palladio e gallio sono noti per produrre miscele di anidride carbonica e idrogeno a vari rapporti a seconda della tensione applicata, ha detto Singh. L'oro e l'argento mostrano la più alta attività verso la riduzione dell'anidride carbonica, e poiché l'argento è più abbondante e meno costoso dell'oro, "l'argento è l'elettrocatalizzatore più promettente per la produzione su larga scala di monossido di carbonio, " Egli ha detto.