I ricercatori di U of T Engineering e Caltech hanno progettato un sistema nuovo e migliorato per convertire in modo efficiente la CO2, acqua, ed energia rinnovabile in etilene, il precursore di un'ampia gamma di prodotti in plastica, dai dispositivi medici ai tessuti sintetici, in condizioni neutre. Il dispositivo ha il potenziale per offrire un percorso a emissioni zero verso una sostanza chimica comunemente usata, migliorando allo stesso tempo lo stoccaggio del carbonio di scarto e dell'energia rinnovabile in eccesso.

"La CO2 ha un basso valore economico, che riduce l'incentivo a catturarlo prima che entri nell'atmosfera, "dice il professor Ted Sargent, l'U of T Engineering ha guidato il progetto. "Trasformandolo in etilene, uno dei prodotti chimici industriali più utilizzati al mondo, trasforma l'economia. L'etilene rinnovabile fornisce un percorso per sostituire i combustibili fossili che sono attualmente la materia prima primaria per questa sostanza chimica".

L'anno scorso, Sargent e il suo team hanno pubblicato un articolo su Science che descrive come hanno usato un elettrolizzatore, un dispositivo che utilizza l'elettricità per guidare una reazione chimica, per convertire la CO2 in etilene con un'efficienza record. In questo sistema, i tre reagenti, gas CO2, acqua ed elettricità, tutti si uniscono sulla superficie di un catalizzatore a base di rame.

Sebbene il dispositivo sia stato una svolta per il team, c'era ancora spazio per miglioramenti. L'ultima versione, descritto in un articolo pubblicato oggi in Natura , modifica ulteriormente il catalizzatore al fine di migliorare le prestazioni del sistema e ridurne il costo di esercizio.

"Una delle sfide con questa reazione è che mentre parte della CO2 viene convertita in etilene, la maggior parte si trasforma in prodotti collaterali, soprattutto carbonato, che si dissolve sul lato liquido dell'elettrolizzatore, ", afferma il borsista post-dottorato Fengwang Li, autore principale del nuovo articolo. "Questa perdita indesiderata aumenta il costo della conseguente separazione e purificazione del prodotto".

Nell'ultimo lavoro, Il team di Sargent ha collaborato con i professori di chimica del Caltech Jonas C. Peters e Theodor Agapie. La loro ricerca pubblicata su una classe di molecole note come arilpiridinio ha suggerito che aggiungerli al catalizzatore potrebbe favorire la produzione di etilene rispetto ad altri prodotti collaterali.

Utilizzando calcoli teorici ed esperimenti, le due squadre hanno setacciato più di una dozzina di tipi diversi di arilpiridinio prima di sceglierne uno. Abbastanza sicuro, l'aggiunta di uno strato sottile di questa molecola alla superficie del catalizzatore di rame ha aumentato significativamente la selettività della reazione per l'etilene. Ha portato anche a un altro vantaggio:abbassare il pH della reazione di lavoro da basico a neutro.

"Il sistema precedente richiedeva che il lato acqua della reazione fosse ad alto pH, condizioni molto elementari, " dice Li. "Ma la reazione della CO2 con la soda caustica nell'acqua abbassa il pH, quindi avremmo dovuto aggiungere continuamente sostanze chimiche per mantenere alto il pH. Il nuovo sistema funziona altrettanto bene in condizioni neutre, così possiamo eliminare quel costo aggiuntivo, così come la perdita di CO2 sotto forma di carbonato."

Il catalizzatore migliorato è durato anche più a lungo della versione precedente, rimanendo stabile per quasi 200 ore di funzionamento. Un altro miglioramento, l'aumento dell'area della superficie del catalizzatore di un fattore cinque, ha dato ai team un assaggio delle sfide che dovranno essere superate per portare la produzione a livelli industriali.

Mentre il prototipo è ancora lontano dalla commercializzazione, il concetto generale offre un modo promettente per affrontare diverse sfide chiave nella sostenibilità. Elimina la necessità di estrarre più petrolio per produrre plastica e altri beni di consumo a base di etilene, e trasforma la CO2 di scarto in una materia prima, aggiungendo un nuovo incentivo per investire nella cattura del carbonio.

Li sottolinea inoltre che un tale sistema potrebbe essere alimentato da fonti rinnovabili intermittenti, come l'energia eolica o solare. Attualmente, spesso c'è una discrepanza tra la quantità di elettricità prodotta da questi sistemi e la domanda dei consumatori. Immagazzinando l'elettricità in eccesso sotto forma di etilene, il sistema offre un modo per appianare quei picchi e queste valli.

"La cosa fantastica di questo sistema di conversione da CO2 a etilene è che non è necessario scegliere tra catturare e riciclare le emissioni di CO2 piuttosto che cercare di impedire che si verifichino in primo luogo sostituendo i combustibili fossili usati, " dice Li. "Possiamo fare entrambe le cose allo stesso tempo".