Un'opera d'arte originale dell'Università di Pittsburgh raffigurante una nanoparticella bimetallica a base di rame progettata per assorbire e attivare l'anidride carbonica è apparsa sulla copertina di ChemSusChem nell'aprile 2018. Credito:Swanson School of Engineering/James Dean
Un recente articolo sulla rivista di chimica sostenibile ChemSusChem hanno rivelato che i ricercatori dell'Università di Pittsburgh stanno "dopando" le nanoparticelle per migliorare la loro capacità di catturare l'anidride carbonica e fornire una fonte grezza di carbonio per i processi industriali. Da non confondere con il suo uso negativo nell'atletica, "doping" nell'ingegneria chimica si riferisce all'aggiunta di una sostanza in un altro materiale per migliorarne le prestazioni.
Insieme alle temperature globali, ricerca sulla cattura dell'anidride carbonica (CO 2 ) è in ascesa. La quantità di CO 2 nell'atmosfera ha raggiunto il massimo storico di 408 parti per milione, secondo le ultime misurazioni della NASA. Precedenti studi hanno mostrato la connessione tra gas serra come la CO 2 e la tendenza al riscaldamento, che ebbe inizio verso la fine del XX secolo.
"Molti dei nostri processi industriali contribuiscono alla quantità allarmante di CO 2 nell'atmosfera, quindi abbiamo bisogno di sviluppare nuove tecnologie per intervenire, "dice Giannis Mpourmpakis, assistente professore di ingegneria chimica e petrolifera presso la Swanson School of Engineering di Pitt. "Catturare CO 2 dall'atmosfera e convertirlo in sostanze chimiche utili può essere vantaggioso sia per l'ambiente che per l'industria".
Il Dr. Mpourmpakis è coautore dello studio intitolato "Design of Copper-Based Bimetallic Nanoparticles for Carbon Dioxide Adsorption and Activation" in ChemSusChem , con altri ricercatori del Dipartimento di ingegneria chimica e petrolifera di Pitt, tra cui il professor Götz Veserand tre dottorandi. studenti:James Dean, Natalie Austin, e Yahui Yang. Una rappresentazione artistica dei nanomateriali di rame drogati con zirconio è apparsa su una delle copertine della rivista per il volume 11, Numero 7 nell'aprile 2018.
Attraverso una serie di simulazioni al computer ed esperimenti di laboratorio, i ricercatori hanno progettato e sviluppato un catalizzatore stabile per la cattura e l'attivazione della CO 2 drogando nanoparticelle di rame con zirconio. I ricercatori ritengono che le nanoparticelle abbiano un grande potenziale per ridurre l'impronta di carbonio di alcuni processi come la combustione di combustibili fossili. Però, CO 2 le molecole sono piuttosto riluttanti a cambiare.
"CO 2 è una molecola molto stabile che deve essere "attivata" per convertirla. Questa attivazione avviene legando la CO 2 ai siti catalizzatori che rendono meno stabile il legame carbonio-ossigeno. I nostri esperimenti hanno confermato i calcoli di chimica computazionale nel gruppo Mpourmpakis che il drogaggio del rame con lo zirconio crea un buon candidato per indebolire la CO 2 obbligazioni, " spiega il dottor Veser.
Il gruppo di Mpourmpakis ha utilizzato la chimica computazionale per simulare centinaia di potenziali esperimenti in modo molto più rapido e meno costoso rispetto ai metodi di laboratorio tradizionali e ha identificato il drogante candidato più promettente che è stato poi verificato sperimentalmente.
Le nanoparticelle di rame sono adatte alla conversione della CO 2 ai prodotti chimici utili perché sono economici, e sono ottimi catalizzatori di idrogenazione. Attraverso l'idrogenazione, CO 2 possono essere convertiti in sostanze chimiche di valore superiore come il metanolo (CH 3 OH) o metano (CH 4 ). Sfortunatamente, conversione di CO 2 richiede anche la sua attivazione che il rame non è in grado di fornire. Lo zirconio va d'accordo con il rame e attiva naturalmente la CO 2 .
"Per avere un drogante efficace, è necessario disporre di siti sulla superficie del catalizzatore che trasmettano elettroni alla CO 2 , " dice il dottor Mpourmpakis. "Il drogante cambia le caratteristiche elettroniche dei materiali, e abbiamo scoperto che lo zirconio è particolarmente efficace nell'attivare la CO 2 ."
I ricercatori di Pitt hanno testato una serie di diverse configurazioni di nanoparticelle e hanno scoperto che le nanoparticelle di rame drogate con zirconio sono catalizzatori particolarmente promettenti per l'idrogenazione della CO 2 e hanno già iniziato a testarne l'efficacia.
