Un nuovo catalizzatore creato dai ricercatori di U of T Engineering li avvicina di un passo alla fotosintesi artificiale, un sistema che, proprio come le piante, utilizzerebbe l'energia rinnovabile per convertire l'anidride carbonica (CO2) in energia chimica immagazzinata. Catturando le emissioni di carbonio e immagazzinando energia da energia solare o eolica, l'invenzione fornisce una doppietta nella lotta contro il cambiamento climatico.

"La cattura del carbonio e le energie rinnovabili sono due tecnologie promettenti, ma ci sono problemi, "dice Phil De Luna, uno dei principali autori di un articolo pubblicato oggi in Chimica della natura . "La tecnologia di cattura del carbonio è costosa, e l'energia solare ed eolica sono intermittenti. Puoi usare le batterie per immagazzinare energia, ma una batteria non alimenterà un aereo attraverso l'Atlantico o riscalderà una casa per tutto l'inverno:per questo hai bisogno di carburante".

De Luna e i suoi autori principali Xueli Zheng e Bo Zhang, che hanno condotto il loro lavoro sotto la supervisione del professor Ted Sargent, mirano ad affrontare entrambe le sfide contemporaneamente, e cercano ispirazione nella natura. Stanno progettando un sistema artificiale che imita il modo in cui le piante e altri organismi fotosintetici usano la luce solare per convertire la CO2 e l'acqua in molecole che gli esseri umani possono poi utilizzare come combustibile.

Come nelle piante, il loro sistema è costituito da due reazioni chimiche collegate:una che divide l'H2O in protoni e ossigeno gassoso, e un altro che converte la CO2 in monossido di carbonio, o CO. (La CO può quindi essere convertita in combustibili idrocarburici attraverso un processo industriale consolidato chiamato sintesi Fischer-Tropsch.)

"Negli ultimi due anni, il nostro team ha sviluppato catalizzatori molto performanti sia per la prima che per la seconda reazione, "dice Zhang, che ha contribuito al lavoro mentre era borsista post-dottorato presso la U of T ed è ora professore alla Fudan University. "Ma mentre il secondo catalizzatore funziona in condizioni neutre, il primo catalizzatore richiede livelli di pH elevati per essere più attivo."

Ciò significa che quando i due sono combinati, il processo complessivo non è efficiente come potrebbe essere, poiché l'energia viene persa quando si spostano particelle cariche tra le due parti del sistema.

Il team ha ora superato questo problema sviluppando un nuovo catalizzatore per la prima reazione, quello che divide l'acqua in protoni e ossigeno. A differenza del catalizzatore precedente, questo funziona a pH neutro, e in quelle condizioni si comporta meglio di qualsiasi altro catalizzatore precedentemente riportato.

"Ha un basso potenziale eccessivo, il che significa che è necessaria meno energia elettrica per portare avanti la reazione, "dice Zheng, che ora è uno studioso post-dottorato alla Stanford University. "Oltre a ciò, avere un catalizzatore che può funzionare allo stesso pH neutro della reazione di conversione della CO2 riduce il potenziale complessivo della cellula".

Nella carta, il team riporta l'efficienza complessiva di conversione dell'energia elettrica-chimica del sistema al 64%. Secondo De Luna, questo è il valore più alto mai raggiunto per un sistema del genere, compreso il loro precedente, che ha raggiunto solo il 54 per cento.

Il nuovo catalizzatore è fatto di nichel, ferro da stiro, cobalto e fosforo, tutti elementi a basso costo e con pochi rischi per la sicurezza. Può essere sintetizzato a temperatura ambiente utilizzando apparecchiature relativamente economiche, e il team ha dimostrato che è rimasto stabile finché lo hanno testato, un totale di 100 ore.

Armati del loro catalizzatore migliorato, il laboratorio Sargent sta ora lavorando per costruire il loro sistema di fotosintesi artificiale su scala pilota. L'obiettivo è catturare la CO2 dai gas di combustione, ad esempio da una centrale elettrica a gas naturale e utilizzare il sistema catalitico per convertirlo in modo efficiente in combustibili liquidi.

"Dobbiamo determinare le giuste condizioni operative:portata, concentrazione di elettroliti, Potenziale elettrico, "dice De Luna. "Da questo momento in poi, è tutta ingegneria."

La squadra e la loro invenzione sono semifinaliste nel NRG COSIA Carbon XPRIZE, una sfida da 20 milioni di dollari per "sviluppare tecnologie innovative che convertiranno le emissioni di CO2 delle centrali elettriche e degli impianti industriali in prodotti di valore".

Il progetto è stato il risultato di una collaborazione internazionale e multidisciplinare. La Canadian Light Source nel Saskatchewan ha fornito i raggi X ad alta energia utilizzati per sondare le proprietà elettroniche del catalizzatore. La Molecular Foundry presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha svolto un lavoro di modellazione teorica. Il sostegno finanziario e in natura è stato fornito dal Consiglio di ricerca in scienze naturali e ingegneria, la Fondazione canadese per l'innovazione, Università di Tientsin, Fudan University e la sorgente luminosa di Pechino.

Per quanto riguarda ciò che lo ha tenuto motivato durante tutto il progetto, De Luna sottolinea l'opportunità di avere un impatto su alcune delle più grandi sfide ambientali della società.

"Vedere il rapido avanzamento nel campo è stato estremamente emozionante, " dice. "Ad ogni conferenza settimanale o mensile che abbiamo all'interno del nostro laboratorio, le persone stanno battendo record a destra e a manca. C'è ancora molto spazio per crescere, ma mi piace davvero la ricerca, e le emissioni di carbonio sono così importanti che qualsiasi miglioramento sembra un vero traguardo".