Dottor Cao-Thang Dinh, sinistra, e il Dr. Md Golam Kibria dimostrano il loro nuovo catalizzatore. In un articolo pubblicato oggi su Science, il loro team ha dimostrato il processo più efficiente e stabile per convertire l'anidride carbonica che riscalda il clima negli elementi costitutivi della plastica, il tutto alimentato da energia rinnovabile. Credito:Laura Pedersen
Una nuova tecnologia di U of T Engineering sta facendo un passo importante per consentire ai produttori di creare materie plastiche da due ingredienti chiave:luce solare e inquinamento.
Oggi, i combustibili fossili non rinnovabili non solo forniscono la materia prima da cui sono fatte le materie plastiche, sono anche il combustibile bruciato per alimentare il processo produttivo, produzione di anidride carbonica (CO 2 )—l'Agenzia internazionale per l'energia stima che la produzione dei principali precursori della plastica sia responsabile dell'1,4 per cento della CO globale 2 emissioni.
Un team guidato dal professor Ted Sargent dell'Università di Toronto sta capovolgendo questo processo. Prevedono di catturare CO 2 prodotto da altri processi industriali e utilizzando elettricità rinnovabile, come l'energia solare, per trasformarla in etilene. L'etilene è una sostanza chimica industriale comune che è un precursore di molte materie plastiche, come quelli usati nei sacchetti della spesa.
Il sistema affronta una sfida chiave associata alla cattura del carbonio. Mentre esiste la tecnologia per filtrare ed estrarre la CO 2 dai gas di scarico, la sostanza ha attualmente scarso valore economico che può compensare il costo della sua cattura:è una proposta in perdita. Trasformando questo carbonio in un prodotto di valore commerciale come l'etilene, il team mira ad aumentare gli incentivi per le aziende a investire nella tecnologia di cattura del carbonio.
Il dottor Cao-Thang Dinh mette a punto il suo nuovo dispositivo catalitico per convertire l'anidride carbonica in etilene. Credito:Laura Pedersen
Al centro della soluzione del team ci sono due innovazioni:l'utilizzo di un catalizzatore a base di rame incredibilmente sottile e una strategia sperimentale reinventata.
"Quando abbiamo eseguito il CO 2 conversione in etilene in mezzi molto basici, abbiamo scoperto che il nostro catalizzatore ha migliorato sia l'efficienza energetica che la selettività della conversione ai livelli più alti mai registrati, " ha detto il dottor Cao-Thang Dinh, borsista post-dottorato, il primo autore del paper pubblicato oggi sulla rivista Scienza . In tale contesto, efficienza significa che è necessaria meno elettricità per realizzare la conversione. Gli autori hanno quindi utilizzato questa conoscenza per migliorare ulteriormente il catalizzatore e spingere la reazione a favorire la formazione di etilene, rispetto ad altre sostanze.
Prossimo, il team ha affrontato la stabilità, che è stata a lungo una sfida con questo tipo di catalizzatore a base di rame. La modellizzazione teorica mostra che le condizioni di base, ovvero, alti livelli di pH:sono ideali per catalizzare la CO 2 all'etilene. Ma in queste condizioni, la maggior parte dei catalizzatori, e i loro supporti, rompersi dopo meno di 10 ore.
Il team ha superato questa sfida modificando la propria configurazione sperimentale. Essenzialmente, hanno depositato il loro catalizzatore su uno strato di supporto poroso in politetrafluoroetilene (PTFE, meglio conosciuto come Teflon) e hanno inserito il loro catalizzatore con carbonio sull'altro lato. Questa nuova configurazione protegge il supporto e il catalizzatore dal degrado dovuto alla soluzione di base, e gli permette di durare 15 volte più a lungo dei catalizzatori precedenti. Come bonus aggiuntivo, questa configurazione ha anche migliorato ulteriormente l'efficienza e la selettività.
Cao-Thang Dinh mostra il dispositivo catalitico del suo team per convertire l'anidride carbonica nel prezioso etilene chimico. Credito:Laura Pedersen
"Negli ultimi decenni, sappiamo che operare questa reazione in condizioni di base aiuterebbe, ma nessuno sapeva come sfruttare quella conoscenza e trasferirla in un sistema pratico, " dice Dinh. "Abbiamo mostrato come superare questa sfida".
Attualmente il loro sistema è in grado di eseguire la conversione su scala di laboratorio, producendo diversi grammi di etilene alla volta. L'obiettivo a lungo termine del team è quello di ampliare la tecnologia fino al punto in cui sono in grado di convertire le molteplici tonnellate di sostanze chimiche necessarie per l'applicazione commerciale.
"Abbiamo fatto tre progressi simultanei in questo lavoro:selettività, efficienza energetica e stabilità, " dice Sargent. "Come gruppo, siamo fortemente motivati a sviluppare tecnologie che ci aiutino a realizzare la sfida globale di un futuro a emissioni zero".
Il gruppo multidisciplinare, che include anche il professore di ingegneria meccanica David Sinton, combina i punti di forza nella scienza dei materiali, Ingegneria Chimica, chimica e ingegneria meccanica, sta fornendo nuove prospettive sul campo. Diversi membri sono anche coinvolti nel CERT, il team dell'Università di Toronto che è appena passato alla fase finale del NRG COSIA Carbon XPRIZE. Il concorso Carbon XPRIZE sfida i gruppi dell'industria e del mondo accademico a catturare le emissioni di carbonio dalle centrali elettriche e convertirle in modo efficiente in prodotti chimici di valore.
