Nel tentativo di sviluppare soluzioni sostenibili ai bisogni energetici dell'umanità, molti scienziati stanno studiando la cattura e l'utilizzo del carbonio, la pratica di utilizzare l'anidride carbonica in eccesso nell'atmosfera o da fonti puntiformi, al posto dei combustibili fossili, sintetizzare le sostanze chimiche utilizzate per realizzare prodotti di uso quotidiano, dalla plastica ai combustibili ai prodotti farmaceutici.

Feng Jiao, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare presso l'Università del Delaware, è leader nel campo della cattura e dell'utilizzo del carbonio. Ora, lui ei suoi colleghi hanno fatto una nuova scoperta che potrebbe far progredire ulteriormente la cattura e l'utilizzo del carbonio ed estendere la sua promessa a nuove industrie.

Nel diario Chimica della natura , Jiao e collaboratori del California Institute of Technology, Università di Nanchino (Cina), e la Soochow University (Cina) descrivono come hanno formato legami carbonio-azoto in una reazione elettrochimica di riduzione del monossido di carbonio, che ha portato alla produzione di sostanze chimiche di alto valore chiamate ammidi. Queste sostanze sono utili in una varietà di industrie, compresi i prodotti farmaceutici.

La squadra è la prima a farlo. "Ora, a partire dall'anidride carbonica come fonte di carbonio, possiamo espandere a una varietà di prodotti, " disse Jiao, il direttore associato del Center for Catalytic Science and Technology (CCST) dell'UD.

La scienza alla base di questi risultati è l'elettrochimica, che utilizza l'elettricità per produrre cambiamenti chimici. In precedenti sforzi di ricerca, Jiao ha sviluppato uno speciale catalizzatore d'argento, che trasforma l'anidride carbonica in monossido di carbonio. Prossimo, voleva migliorare ulteriormente il monossido di carbonio in prodotti multicarbonio utili nella produzione di combustibili, farmaceutici e altro ancora.

"Nel campo della conversione elettrochimica dell'anidride carbonica, siamo rimasti bloccati con solo quattro prodotti principali che possiamo realizzare utilizzando questa tecnologia:etilene, etanolo, propanolo, e, come abbiamo riportato solo un paio di mesi fa in Catalisi della natura , acetato, " disse Jiao.

L'azoto è l'ingrediente segreto per sbloccare il potenziale del sistema. Il team ha utilizzato un reattore a flusso elettrochimico che viene generalmente alimentato con anidride carbonica o monossido di carbonio, ma questa volta ci hanno messo sia il monossido di carbonio che l'ammoniaca, un composto che contiene azoto. La fonte di azoto interagisce con il catalizzatore di rame all'interfaccia elettrodo-elettrolita, che porta alla formazione di legami carbonio-azoto (CN). Questo processo ha permesso al team di sintetizzare sostanze chimiche che non erano mai state prodotte prima in questo modo, comprese le ammidi, che può essere utilizzato nella sintesi farmaceutica. Molti composti farmaceutici contengono azoto, e "questo in realtà fornisce un modo unico per costruire grandi molecole che contengono azoto da semplici specie di carbonio e azoto, " disse Jiao.

In una riunione dell'American Chemical Society, Jiao ha condiviso alcune delle sue scoperte preliminari con William A. Goddard III, ricercatore principale presso il Centro comune per la fotosintesi artificiale al Caltech. Goddard, un esperto leader mondiale che utilizza la meccanica quantistica per determinare il meccanismo di reazione e le velocità di tali processi elettrocatalitici, era molto entusiasta di questa scoperta inaspettata e ha immediatamente impostato la sua squadra. Tao Cheng nel laboratorio Goddard ha scoperto che il nuovo accoppiamento del legame carbonio-azoto era un ramo del meccanismo che era stato determinato per la produzione di etilene ed etanolo, suggerendo che Jiao potrebbe essere in grado di accoppiare legami diversi da CN.

"Attraverso una stretta collaborazione con il Prof. Goddard, abbiamo imparato molto in termini di come si è formato questo legame carbonio-azoto sulla superficie del catalizzatore, " ha detto Jiao. "Questo ci ha fornito importanti spunti su come possiamo progettare catalizzatori ancora migliori per facilitare alcuni di questi tipi di reazioni chimiche".

Le implicazioni di questo lavoro potrebbero essere di vasta portata.

"Questo ha un impatto significativo lungo la strada, Penso, affrontare parzialmente i problemi relativi alle emissioni di anidride carbonica, " ha detto Jiao. "Ora possiamo effettivamente utilizzarlo come materia prima del carbonio per produrre sostanze chimiche di alto valore".