La combustione di combustibili fossili come carbone e gas naturale rilascia carbonio nell'atmosfera sotto forma di CO2, mentre la produzione di metanolo e altri preziosi combustibili e sostanze chimiche richiede una fornitura di carbonio. Attualmente non esiste un modo efficiente dal punto di vista economico o energetico per raccogliere la CO2 dall'atmosfera e utilizzarla per produrre sostanze chimiche a base di carbonio, ma i ricercatori della Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh hanno appena compiuto un passo importante in quella direzione.

Il team ha lavorato con una classe di nanomateriali chiamati strutture metallo-organiche o "MOF, " che può essere utilizzato per estrarre l'anidride carbonica dall'atmosfera e combinarla con atomi di idrogeno per convertirla in sostanze chimiche e combustibili preziosi. Karl Johnson, il William Kepler Whiteford Professor nel Dipartimento di Ingegneria Chimica e Petrolifera della Swanson School, ha guidato il gruppo di ricerca come investigatore principale.

"Il nostro obiettivo finale è quello di trovare un basso consumo energetico, MOF a basso costo in grado di separare l'anidride carbonica da una miscela di gas e prepararla a reagire con l'idrogeno, " dice il dottor Johnson. "Abbiamo trovato un MOF che potrebbe piegare leggermente le molecole di CO2, portandoli in uno stato in cui reagiscono con l'idrogeno più facilmente."

Il Johnson Research Group ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Royal Society of Chemistry (RSC) Scienza e tecnologia della catalisi (DOI:10.1039/c8cy01018h). Il giornale presentava il loro lavoro sulla copertina, illustrando il processo di anidride carbonica e molecole di idrogeno che entrano nel MOF ed escono come CH2O2 o acido formico, un precursore chimico del metanolo. Perché questo processo avvenga, le molecole devono superare una soglia energetica impegnativa chiamata barriera di idrogenazione.

Il dottor Johnson spiega, "La barriera di idrogenazione è l'energia necessaria per aggiungere due atomi di H alla CO2, che trasforma le molecole in acido formico. In altre parole, è l'energia necessaria per mettere insieme gli atomi di H e le molecole di CO2 in modo che possano formare il nuovo composto. Nel nostro lavoro precedente siamo stati in grado di attivare H2 dividendo due atomi di H, ma non siamo stati in grado di attivare la CO2 fino ad ora."

La chiave per ridurre la barriera all'idrogenazione era identificare un MOF in grado di preattivare l'anidride carbonica. La preattivazione è fondamentalmente preparare le molecole per la reazione chimica mettendole nella giusta geometria, la posizione giusta, o il giusto stato elettronico. Il MOF che hanno modellato nel loro lavoro ottiene la preattivazione della CO2 inserendola in una geometria leggermente piegata che è in grado di accettare gli atomi di idrogeno in arrivo con una barriera inferiore.

Un'altra caratteristica chiave di questo nuovo MOF è che reagisce selettivamente con le molecole di idrogeno sull'anidride carbonica, in modo che i siti attivi non siano bloccati dalla CO2. "Abbiamo progettato un MOF che ha uno spazio limitato attorno ai suoi siti di legame in modo che non ci sia abbastanza spazio per legare la CO2, ma c'è ancora molto spazio per legare H2, perché è molto più piccolo. Il nostro design assicura che la CO2 non si leghi al MOF ma sia invece libera di reagire con le molecole di H già all'interno della struttura, "dice il dottor Johnson.

Il Dr. Johnson ritiene che perfezionare un singolo materiale in grado sia di catturare che di convertire la CO2 sarebbe economicamente fattibile e ridurrebbe la quantità netta di CO2 nell'atmosfera. "Potresti catturare la CO2 dai gas di combustione nelle centrali elettriche o direttamente dall'atmosfera, " dice. "Questa ricerca restringe la nostra ricerca di un materiale molto raro con la capacità di trasformare un'ipotetica tecnologia in un vero vantaggio per il mondo".