I ricercatori di Stanford e SLAC stanno lavorando su modi per convertire l'anidride carbonica (CO2) di scarto in materie prime chimiche e combustibili, trasformando un potente gas serra in prodotti di valore. Il processo è chiamato conversione elettrochimica. Quando alimentato da fonti di energia rinnovabile, potrebbe ridurre i livelli di anidride carbonica nell'aria e immagazzinare energia da queste fonti intermittenti in una forma che può essere utilizzata in qualsiasi momento. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Un modo per ridurre il livello di anidride carbonica nell'atmosfera, che ora è al suo punto più alto nell'800, 000 anni, sarebbe quello di catturare il potente gas serra dalle ciminiere delle fabbriche e delle centrali elettriche e utilizzare l'energia rinnovabile per trasformarlo in cose di cui abbiamo bisogno, dice Tommaso Jaramillo.
In qualità di direttore del SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, un istituto congiunto dell'Università di Stanford e del Laboratorio nazionale di accelerazione SLAC del Dipartimento dell'energia, è in grado di aiutare a farlo accadere.
Uno degli obiettivi principali della ricerca SUNCAT è trovare modi per trasformare la CO 2 in prodotti chimici, combustibili, e altri prodotti, dal metanolo alla plastica, detersivi e gas naturale sintetico. La produzione di queste sostanze chimiche e materiali da ingredienti di combustibili fossili rappresenta ora il 10% delle emissioni globali di carbonio; la produzione di benzina, diesel, e il carburante per aerei rappresenta molto, molto di piu.
"Abbiamo già emesso troppa CO 2 , e siamo sulla buona strada per continuare a emetterlo per anni, poiché l'80% dell'energia consumata oggi nel mondo proviene da combustibili fossili, "dice Stefania Nitopi, la cui ricerca SUNCAT è alla base del suo nuovo dottorato di ricerca a Stanford.
"Potresti catturare CO 2 dalle ciminiere e conservarlo sottoterra, " dice. "Questa è una tecnologia attualmente in gioco. Un'alternativa è usarla come materia prima per produrre combustibili, plastica, e specialità chimiche, che cambia il paradigma finanziario. Rifiuti CO 2 le emissioni ora diventano qualcosa che puoi riciclare in prodotti di valore, fornendo un nuovo incentivo per ridurre la quantità di CO 2 rilasciato nell'atmosfera. Questa è una vittoria per tutti".
Abbiamo chiesto a Nitopi, Jaramillo, Lo scienziato dello staff di SUNCAT Christopher Hahn e il ricercatore post-dottorato Lei Wang per dirci su cosa stanno lavorando e perché è importante.
D. Prima le basi:come si converte la CO 2 in questi altri prodotti?
Tom:È essenzialmente una forma di fotosintesi artificiale, ecco perché il Centro comune per la fotosintesi artificiale del DOE finanzia il nostro lavoro. Gli impianti utilizzano l'energia solare per convertire la CO 2 dall'aria al carbonio nei loro tessuti. Allo stesso modo, vogliamo sviluppare tecnologie che utilizzino energie rinnovabili, come solare o eolica, convertire CO 2 dalle emissioni industriali ai prodotti a base di carbonio.
Chris:Un modo per farlo si chiama CO . elettrochimica 2 riduzione, dove fai bolle di CO 2 gas attraverso l'acqua e reagisce con l'acqua sulla superficie di un elettrodo a base di rame. Il rame agisce da catalizzatore, riunire gli ingredienti chimici in un modo che li incoraggi a reagire. Detto molto semplicemente, la reazione iniziale spoglia un atomo di ossigeno dalla CO 2 per formare monossido di carbonio, o CO, che è un'importante sostanza chimica industriale a sé stante. Poi altre reazioni elettrochimiche trasformano la CO in molecole importanti come alcoli, combustibili e altre cose.
Oggi questo processo richiede un catalizzatore a base di rame. È l'unico conosciuto per fare il lavoro. Ma queste reazioni possono produrre numerosi prodotti, e separare quello che vuoi è costoso, quindi abbiamo bisogno di identificare nuovi catalizzatori che siano in grado di guidare la reazione verso la realizzazione solo del prodotto desiderato.
Come mai?
Lei:Quando si tratta di migliorare le prestazioni di un catalizzatore, una delle cose chiave che guardiamo è come renderli più selettivi, quindi generano un solo prodotto e nient'altro. Circa il 90% della produzione di combustibili e prodotti chimici dipende dai catalizzatori, e l'eliminazione dei sottoprodotti indesiderati è una parte importante del costo.
Esaminiamo anche come rendere più efficienti i catalizzatori aumentando la loro superficie, quindi ci sono molti più posti in un dato volume di materiale in cui le reazioni possono verificarsi contemporaneamente. Ciò aumenta il tasso di produzione.
Recentemente abbiamo scoperto qualcosa di sorprendente:quando abbiamo aumentato la superficie di un catalizzatore a base di rame formandolo in una forma a fiocchi "nanofiore", ha reso la reazione sia più efficiente che più selettiva. Infatti, non ha prodotto praticamente alcun gas idrogeno sottoprodotto che potessimo misurare. Quindi questo potrebbe offrire un modo per sintonizzare le reazioni per renderle più selettive e competitive in termini di costi.
Stephanie:È stato così sorprendente che abbiamo deciso di rivisitare tutte le ricerche che abbiamo trovato sulla catalizzazione della CO elettrochimica 2 conversione con rame, e i molti modi in cui le persone hanno cercato di capire e mettere a punto il processo, usando sia la teoria che gli esperimenti, tornando indietro di quattro decenni. There's been an explosion of research on this—about 60 papers had been published as of 2006, versus more than 430 out there today—and analyzing all the studies with our collaborators at the Technical University of Denmark took two years.
We were trying to figure out what makes copper special, why it's the only catalyst that can make some of these interesting products, and how we can make it even more efficient and selective—what techniques have actually pushed the needle forward? We also offered our perspectives on promising research directions.
One of our conclusions confirms the results of the earlier study:The copper catalyst's surface area can be used to improve both the selectivity and overall efficiency of reactions. So this is well worth considering as a chemical production strategy.
Does this approach have other benefits?
Tom:Absolutely. If we use clean, renewable energy, like wind or solar, to power the controlled conversion of waste CO 2 to a wide range of other products, this could actually draw down levels of CO 2 in the atmosphere, which we will need to do to stave off the worst effects of global climate change.
Chris:And when we use renewable energy to convert CO 2 to fuels, we're storing the variable energy from those renewables in a form that can be used any time. Inoltre, with the right catalyst, these reactions could take place at close to room temperature, instead of the high temperatures and pressures often needed today, making them much more energy efficient.
How close are we to making it happen?
Tom:Chris and I explored this question in a recent Perspective article in Scienza , written with researchers from the University of Toronto and TOTAL American Services, which is an oil and gas exploration and production services firm.
We concluded that renewable energy prices would have to fall below 4 cents per kilowatt hour, and systems would need to convert incoming electricity to chemical products with at least 60% efficiency, to make the approach economically competitive with today's methods.
Chris:This switch couldn't happen all at once; the chemical industry is too big and complex for that. So one approach would be to start with making high-value, high-volume products like ethylene, which is used to make alcohols, poliestere, antifreeze, plastics and synthetic rubber. It's a $230 billion global market today. Switching from fossil fuels to CO 2 as a starting ingredient for ethylene in a process powered by renewables could potentially save the equivalent of about 860 million metric tons of CO 2 emissions per year.
The same step-by-step approach applies to sources of CO 2 . Industry could initially use relatively pure CO 2 emissions from cement plants, breweries or distilleries, for instance, and this would have the side benefit of decentralizing manufacturing. Every country could provide for itself, develop the technology it needs, and give its people a better quality of life.
Tom:Once you enter certain markets and start scaling up the technology, you can attack other products that are tougher to make competitively today. What this paper concludes is that these new processes have a chance to change the world.
