Per decenni, gli scienziati hanno cercato modi efficaci per rimuovere le emissioni di anidride carbonica in eccesso dall'aria, e riciclarli in prodotti come i combustibili rinnovabili. Ma il processo di conversione dell'anidride carbonica in sostanze chimiche utili è noioso, caro, e dispendioso e quindi non redditizio dal punto di vista economico o ambientale.

Ora una scoperta dei ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e del Centro comune per la fotosintesi artificiale (JCAP) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti mostra che riciclare l'anidride carbonica in sostanze chimiche e combustibili preziosi può essere economico ed efficiente, il tutto attraverso un singolo catalizzatore di rame .

L'opera appare nell'edizione del 17 dicembre della rivista Catalisi della natura .

Andare dove c'è l'azione:siti attivi specifici del prodotto

Quando prendi un pezzo di rame metallico, può sembrare liscio al tatto, ma a livello microscopico, la superficie è in realtà accidentata - e questi dossi sono ciò che gli scienziati chiamano "siti attivi, " ha detto Joel Ager, un ricercatore presso JCAP che ha guidato lo studio. Ager è uno scienziato dello staff della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore a contratto presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali dell'Università di Berkeley.

Questi siti attivi sono dove avviene la magia dell'elettrocatalisi:gli elettroni della superficie del rame interagiscono con l'anidride carbonica e l'acqua in una sequenza di passaggi che li trasformano in prodotti come il carburante dell'etanolo; etilene, il precursore dei sacchetti di plastica; e propanolo, un alcol comunemente usato nell'industria farmaceutica.

Fin dagli anni '80, quando fu scoperto il talento del rame nel convertire il carbonio in vari prodotti utili, si è sempre pensato che i suoi siti attivi non fossero specifici del prodotto, in altre parole, potresti usare il rame come catalizzatore per produrre etanolo, etilene, propanolo, o qualche altra sostanza chimica a base di carbonio, ma dovresti passare attraverso molti passaggi per separare gli indesiderati, residui chimici formati durante le fasi intermedie di una reazione chimica prima di arrivare alla destinazione finale:il prodotto chimico finale.

"L'obiettivo della chimica "verde" o sostenibile è ottenere il prodotto desiderato durante la sintesi chimica, " disse Ager. "Non vuoi separare le cose che non vuoi dai prodotti desiderabili, perché è costoso e indesiderabile per l'ambiente. E quella spesa e quella spreco riducono la fattibilità economica dei combustibili solari a base di carbonio".

Così, quando Ager e il coautore Yanwei Lum, che era un Ph.D. dell'UC Berkeley. studente nel laboratorio di Ager al momento dello studio, stavano studiando le proprietà catalitiche del rame per un progetto sui combustibili solari, si chiedevano, "Cosa succede se, come la fotosintesi in natura, potremmo usare gli elettroni delle celle solari per guidare specifici siti attivi di un catalizzatore di rame per creare un flusso di prodotto puro di un combustibile o di una sostanza chimica a base di carbonio?" ha detto Ager.

Tracciare le origini di una sostanza chimica attraverso il suo "passaporto"

Precedenti studi avevano dimostrato che il rame "ossidato" o arrugginito è un ottimo catalizzatore per la produzione di etanolo, etilene, e propanolo. I ricercatori hanno teorizzato che se i siti attivi nel rame fossero effettivamente specifici del prodotto, potrebbero rintracciare le origini delle sostanze chimiche attraverso gli isotopi di carbonio, "proprio come un passaporto con timbri che ci dicono quali paesi hanno visitato, " ha detto Ager.

"Quando abbiamo pensato all'esperimento, abbiamo pensato che questa fosse un'idea così scontata, che sarebbe da pazzi provarlo, " Ager ha detto. "Ma non potevamo lasciarlo andare, perché abbiamo anche pensato che avrebbe funzionato, poiché la nostra precedente ricerca con gli isotopi ci aveva permesso di scoprire nuove vie di reazione".

Quindi per i prossimi mesi, Lum e Ager hanno condotto una serie di esperimenti utilizzando due isotopi di carbonio - carbonio-12 e carbonio-13 - come "timbri del passaporto". L'anidride carbonica è stata marcata con carbonio-12, e il monossido di carbonio, un intermedio chiave nella formazione dei legami carbonio-carbonio, è stato etichettato con carbonio-13. Secondo la loro metodologia, i ricercatori hanno ragionato sul fatto che il rapporto tra carbonio-13 e carbonio-12 - la "firma isotopica" - trovato in un prodotto determinerebbe da quali siti attivi ha avuto origine il prodotto chimico.

Dopo che Lum ha condotto dozzine di esperimenti e utilizzato la spettrometria di massa all'avanguardia e la spettroscopia NMR (risonanza magnetica nucleare) presso JCAP per analizzare i risultati, hanno scoperto che tre dei prodotti – etilene, etanolo, e propanolo - avevano diverse firme isotopiche che mostravano che provenivano da diversi siti sul catalizzatore. "Questa scoperta motiva il lavoro futuro per isolare e identificare questi diversi siti, " ha detto Lum. "Mettere questi siti specifici del prodotto in un singolo catalizzatore potrebbe un giorno portare a una generazione molto efficiente e selettiva di prodotti chimici, " Ha detto Lum.

Giorni verdi in arrivo per la produzione chimica

La nuova metodologia dei ricercatori - quella che Ager descrive come "chimica semplice con una svolta ambientale ed economica" - è ciò che sperano possa essere un nuovo inizio per la produzione chimica verde in cui una cella solare potrebbe fornire elettroni a specifici siti attivi all'interno di un catalizzatore di rame per ottimizzare la produzione di combustibili a etanolo.

"Forse un giorno questa tecnologia potrebbe rendere possibile avere qualcosa come una raffineria di petrolio, ma alimentato dal sole, portando fuori l'anidride carbonica dall'atmosfera e creando un flusso di prodotti utili, " Egli ha detto.