Sono stati apportati notevoli miglioramenti al processo di conversione dell'anidride carbonica, un gas serra, al metanolo, un combustibile e un elemento costitutivo per una vasta gamma di materiali di uso quotidiano, secondo i ricercatori della Penn State.

Le concentrazioni di anidride carbonica nell'atmosfera sono in aumento e il cambiamento climatico sta diventando una preoccupazione mondiale che richiede sforzi globali per ridurre le emissioni di anidride carbonica. Un approccio consiste nell'utilizzare l'anidride carbonica come fonte di carbonio nelle reazioni con l'idrogeno, dove l'idrogeno è prodotto dall'acqua utilizzando energia rinnovabile, e la reazione sintetizza metanolo. Ciò contribuirà a ridurre le emissioni di anidride carbonica e ad attenuare la dipendenza dai combustibili fossili.

I ricercatori hanno avanzato il processo di conversione dell'anidride carbonica in metanolo, che contiene quattro parti di idrogeno, una parte di ossigeno e una parte di carbonio, sviluppando un nuovo catalizzatore che utilizza una specifica formulazione di palladio e rame. Il lavoro teorico e sperimentale, recentemente pubblicato in Catalisi ACS , è il risultato di anni di ricerca sperimentale e computazionale integrata condotta in collaborazione con la Dalian University of Technology in Cina in collaborazione con il Penn State-Dalian Joint Center for Energy Research. La ricerca collaborativa Penn State-Dalian ha portato alla luce i vantaggi della combinazione dei due metalli come catalizzatore.

Un fattore chiave nella conversione dell'anidride carbonica in metanolo è trovare un buon catalizzatore in modo che il metanolo possa essere prodotto in alta selettività a una velocità efficiente. Nel rapporto atomico palladio-rame compreso tra 0,3 e 0,4, la combinazione di palladio e rame ha prodotto la conversione più efficiente del metanolo dall'anidride carbonica utilizzando nanoparticelle del catalizzatore disperse su un materiale di supporto poroso che ha aumentato l'area superficiale del catalizzatore. Con un catalizzatore delle dimensioni di una noce, la superficie interna del catalizzatore coprirebbe circa l'area di un campo da calcio.

I ricercatori hanno scoperto che le nuove formulazioni, usando il preciso rapporto atomico dei due metalli, ha aumentato la velocità di formazione del metanolo di tre volte rispetto al solo palladio e di quattro volte rispetto al solo rame, rappresentando un miglioramento significativo rispetto ai metodi precedenti.

Canzone Chunshan, illustre professore di scienza dei combustibili, professore di ingegneria chimica e direttore del Dipartimento di Scienze della Terra e dei Minerali (EMS) Energy

Istituto, paragonato il processo a un gatto che cattura un topo sulla superficie di un catalizzatore. Perché avvenga la conversione, hai bisogno sia di anidride carbonica, il gatto, sia di idrogeno, il topo. Ma devi creare le condizioni ideali affinché il gatto catturi con successo il topo. Se il gatto non riesce a raggiungere il topo, o le condizioni lo rallentano, il gatto ha meno successo.

Questo funziona perché il catalizzatore che unisce due metalli può non solo abbassare il fabbisogno energetico per accelerare la reazione di anidride carbonica e idrogeno, ma altera anche i percorsi di reazione per produrre il prodotto più desiderato con una maggiore efficienza energetica.

"Gli studi convenzionali si sono concentrati sul rame ma non producono risultati efficienti, " Ha detto Song. "È lo stesso per il palladio. Ma mettere insieme palladio e rame crea una struttura superficiale unica che mostra una speciale selettività per la creazione di metanolo dall'anidride carbonica. Questo studio fornisce le intuizioni fondamentali sugli effetti molto sinergici dell'uso di questi due metalli insieme".

Per creare metanolo, i ricercatori hanno pompato idrogeno e anidride carbonica in una camera sigillata di un reattore riempito con il catalizzatore e hanno riscaldato il contenuto a una temperatura compresa tra 356 e 482 gradi Fahrenheit. La conversione massima di anidride carbonica in metanolo è di circa il 24 percento, tuttavia l'anidride carbonica e l'idrogeno non convertiti verranno riciclati e restituiti alla nave in un ambiente industriale, molto simile a ciò che viene fatto nella sintesi convenzionale del metanolo utilizzando monossido di carbonio e idrogeno.

Il processo di idrogenazione dell'anidride carbonica funziona decomponendo l'acqua per creare un gas idrogeno utilizzando energia rinnovabile, che poi si lega con l'anidride carbonica sulla superficie del catalizzatore per creare metanolo. Song ha affermato che poiché il loro catalizzatore incoraggia un'elevata selettività, una percentuale maggiore dei prodotti va alla creazione di metanolo.

Il metanolo viene utilizzato per creare molti materiali e combustibili, dagli adesivi e dai sottofondi in compensato alle bottiglie d'acqua, camicie antipiega e gasolio. È anche una sostanza chimica utilizzata nella produzione di antigelo, liquido lavavetri, solventi e altri prodotti. Nuovi catalizzatori per convertire l'anidride carbonica in una serie di sostanze chimiche utili a livello industriale, combustibili, e materiali come la plastica sono attivamente sviluppati da Song attraverso il Penn State-Dalian Joint Center for Energy Research.

Song ha affermato che la creazione efficiente di combustibili e prodotti chimici industriali dall'anidride carbonica utilizzando l'energia rinnovabile è considerata il Santo Graal per combattere il cambiamento climatico perché i combustibili sono persino migliori dei combustibili a emissioni zero o rinnovabili. Il processo converte essenzialmente i gas serra in combustibili che emettono anidride carbonica quando vengono bruciati. Questo processo, quando combinato con la cattura di anidride carbonica dall'ambiente, equivale a riciclare l'anidride carbonica invece di crearla o evitarla.

"Il nostro attuale sistema energetico si basa in gran parte su energie fossili a base di carbonio, " Song ha detto. "Anche i combustibili rinnovabili come la biomassa, biogas e rifiuti organici, sono tutti a base di carbonio. Ma in futuro, da dove viene il carbonio? Se iniziamo a usare il carbonio dall'anidride carbonica, possiamo riciclarlo, creare un ciclo energetico sostenibile basato sul carbonio, e poi stabilizziamo la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera. Ecco perché sono appassionato di questo".