Aisulu Aitbekova, sinistra, e Matteo Cargnello davanti al reattore dove Aitbekova ha eseguito gran parte degli esperimenti per questo progetto. Credito:L.A. Cicerone
Immagina di prelevare l'anidride carbonica dai tubi di scarico delle auto e da altre fonti e trasformare questo principale gas serra in combustibili come il gas naturale o il propano:un sogno di sostenibilità che diventa realtà.
Diversi studi recenti hanno mostrato un certo successo in questa conversione, ma un nuovo approccio degli ingegneri della Stanford University produce quattro volte più etano, propano e butano rispetto ai metodi esistenti che utilizzano processi simili. Pur non essendo un toccasana per il clima, l'anticipo potrebbe ridurre significativamente l'impatto a breve termine sul riscaldamento globale.
"Si può immaginare un ciclo a zero emissioni di carbonio che produce carburante dall'anidride carbonica e poi lo brucia, creando nuova anidride carbonica che poi viene ritrasformata in carburante, " disse Matteo Cargnello, un assistente professore di ingegneria chimica a Stanford che ha guidato la ricerca, pubblicato in Angewandte Chemie .
Sebbene il processo sia ancora solo un prototipo basato sul laboratorio, i ricercatori si aspettano che possa essere ampliato abbastanza da produrre quantità utilizzabili di carburante. Rimane molto lavoro, però, prima che il consumatore medio possa acquistare prodotti basati su tali tecnologie. I prossimi passi includono il tentativo di ridurre i sottoprodotti nocivi di queste reazioni, come l'inquinante tossico monossido di carbonio. Il gruppo sta anche sviluppando modi per realizzare altri prodotti utili, non solo combustibili. Uno di questi prodotti sono le olefine, che possono essere utilizzati in una serie di applicazioni industriali e sono gli ingredienti principali per le materie plastiche.
Due passi in uno
Sforzi precedenti per convertire la CO 2 per alimentare ha coinvolto un processo in due fasi. Il primo passo riduce la CO 2 al monossido di carbonio, poi il secondo combina la CO con l'idrogeno per produrre combustibili idrocarburici. Il più semplice di questi combustibili è il metano, ma altri combustibili che possono essere prodotti includono etano, propano e butano. L'etano è un parente stretto del gas naturale e può essere utilizzato industrialmente per produrre etilene, un precursore della plastica. Il propano è comunemente usato per riscaldare case e griglie a gas. Il butano è un combustibile comune negli accendini e nei fornelli da campo.
Cargnello pensava che completare entrambi i passaggi in un'unica reazione sarebbe stato molto più efficiente, e si mise a creare un nuovo catalizzatore che potesse contemporaneamente togliere una molecola di ossigeno dalla CO 2 e combinarlo con l'idrogeno. (I catalizzatori inducono reazioni chimiche senza essere utilizzati nella reazione stessa.) Il team è riuscito combinando rutenio e nanoparticelle di ossido di ferro in un catalizzatore.
"Questa pepita di rutenio si trova al centro ed è incapsulata in una guaina esterna di ferro, " disse Aisulu Aitbekova, un dottorando nel laboratorio di Cargnello e autore principale del documento. "Questa struttura attiva la formazione di idrocarburi dalla CO 2 . Migliora il processo dall'inizio alla fine."
Il team non ha deciso di creare questa struttura core-shell, ma l'ha scoperta grazie alla collaborazione con Simon Bare, illustre scienziato del personale, e altri allo SLAC National Accelerator Laboratory. Le sofisticate tecnologie di caratterizzazione a raggi X di SLAC hanno aiutato i ricercatori a visualizzare ed esaminare la struttura del loro nuovo catalizzatore. Senza questa collaborazione, Cargnello ha detto che non avrebbero scoperto la struttura ottimale.
"È stato allora che abbiamo iniziato a progettare questo materiale direttamente in una configurazione core-shell. Poi abbiamo dimostrato che, una volta fatto, le rese di idrocarburi migliorano enormemente, " Ha detto Cargnello. "E 'qualcosa sulla struttura in particolare che aiuta le reazioni lungo".
Cargnello pensa che i due catalizzatori agiscano in modo tag-team per migliorare la sintesi. Sospetta che il rutenio renda l'idrogeno chimicamente pronto a legarsi con il carbonio della CO 2 . L'idrogeno poi si riversa sul guscio di ferro, che rende l'anidride carbonica più reattiva.
Quando il gruppo ha testato il catalizzatore in laboratorio, hanno scoperto che la resa per combustibili come l'etano, propano e butano erano molto più alti del loro catalizzatore precedente. Però, il gruppo deve ancora affrontare alcune sfide. Vorrebbero ridurre l'uso di metalli nobili come il rutenio, e ottimizzare il catalizzatore in modo che possa produrre selettivamente solo combustibili specifici.
