Le celle a combustibile trasformano le sostanze chimiche in elettricità. Ora, un team di ingegneria dell'Università di Toronto ha adattato la tecnologia delle celle a combustibile per fare il contrario:sfruttare l'elettricità per produrre sostanze chimiche preziose dal carbonio di scarto (CO ₂ ).

"Per decenni, ricercatori di talento hanno sviluppato sistemi che convertono l'elettricità in idrogeno e viceversa, "dice il professor Ted Sargent, uno degli autori senior del documento pubblicato in Scienza . "La nostra innovazione si basa su quell'eredità, ma utilizzando molecole a base di carbonio, possiamo collegarci direttamente all'infrastruttura esistente per gli idrocarburi".

In una cella a combustibile a idrogeno, idrogeno e ossigeno si uniscono sulla superficie di un catalizzatore. La reazione chimica rilascia elettroni, che vengono catturati da materiali specializzati all'interno della cella a combustibile e pompati in un circuito.

L'opposto di una cella a combustibile è un elettrolizzatore, che utilizza l'elettricità per guidare una reazione chimica. Gli autori dell'articolo sono esperti nella progettazione di elettrolizzatori che convertono la CO ₂ in altre molecole a base di carbonio, come l'etilene. Il team include Ph.D. candidato Adnan Ozden, che è supervisionato dal professor David Sinton, così come diversi membri della squadra di Sargent, compreso il dottorato di ricerca candidato Joshua Wicks, borsista postdottorato F. Pelayo García de Arquer ed ex borsista postdottorato Cao-Thang Dinh.

"L'etilene è una delle sostanze chimiche più prodotte al mondo, " dice Wicks. "È usato per fare di tutto, dall'antigelo ai mobili da giardino. Oggi è derivato da combustibili fossili, ma se potessimo invece farcela potenziando la CO . dei rifiuti ₂ , fornirebbe un nuovo incentivo economico per catturare il carbonio".

Gli elettrolizzatori di oggi non producono ancora etilene su una scala sufficientemente ampia da competere con ciò che deriva dai combustibili fossili. Parte della sfida risiede nella natura unica della reazione chimica che trasforma la CO ₂ in etilene e altre molecole a base di carbonio.

"La reazione richiede tre cose:CO ₂ , che è un gas; ioni idrogeno, che provengono da acqua liquida; ed elettroni, che vengono trasmessi attraverso un catalizzatore metallico, " dice Ozden. "Portando queste tre diverse fasi, in particolare il CO ₂ -insieme rapidamente è impegnativo, e questo è ciò che ha limitato la velocità della reazione".

Nel loro ultimo progetto di elettrolizzatore, il team ha utilizzato una disposizione unica di materiali per superare le sfide legate all'unione dei reagenti. Gli elettroni vengono consegnati utilizzando un catalizzatore a base di rame che il team aveva precedentemente sviluppato. Ma invece di un piatto foglio di metallo, il catalizzatore nel nuovo elettrolizzatore è sotto forma di piccole particelle incorporate all'interno di uno strato di un materiale noto come Nafion.

Nafion è uno ionomero, un polimero che può condurre particelle cariche note come ioni. Oggi, è comunemente usato nelle celle a combustibile, dove il suo ruolo è quello di trasportare ioni di idrogeno (H+) carichi positivamente all'interno del reattore.

"Nei nostri esperimenti, abbiamo scoperto che una certa disposizione di Nafion può facilitare il trasporto di gas come la CO ₂ , " afferma García de Arquer. "Il nostro design consente ai gas reagenti di raggiungere la superficie del catalizzatore abbastanza velocemente e in modo sufficientemente distribuito per aumentare significativamente la velocità di reazione".

Con la reazione non più limitata dalla velocità con cui i tre reagenti possono unirsi, il team è stato in grado di trasformare la CO ₂ in etilene e altri prodotti 10 volte più velocemente di prima. Ci sono riusciti senza ridurre l'efficienza complessiva del reattore, il che significa più prodotto per circa lo stesso costo di capitale.

Nonostante l'anticipo, il dispositivo rimane molto lontano dalla fattibilità commerciale. Una delle principali sfide rimaste ha a che fare con la stabilità del catalizzatore sotto le nuove densità di corrente più elevate.

"Possiamo pompare elettroni 10 volte più velocemente, che è grandioso, ma possiamo far funzionare il sistema solo per circa dieci ore prima che lo strato di catalizzatore si rompa, " dice Dinh. "Questo è ancora lontano dall'obiettivo di migliaia di ore che sarebbero necessarie per l'applicazione industriale".

Dinh, che ora è professore di ingegneria chimica alla Queen's University, sta continuando il lavoro esaminando nuove strategie per stabilizzare lo strato catalizzatore, come modificare ulteriormente la struttura chimica del Nafion o aggiungere ulteriori strati per proteggerlo.

Gli altri membri del team hanno in programma di lavorare su diverse sfide, come l'ottimizzazione del catalizzatore per produrre altri prodotti commercialmente validi oltre all'etilene.

"Abbiamo scelto l'etilene come esempio, ma i principi qui possono essere applicati alla sintesi di altre preziose sostanze chimiche, compreso l'etanolo", afferma Wicks. "Oltre ai suoi numerosi usi industriali, anche l'etanolo è ampiamente usato come combustibile".

La capacità di produrre combustibili, materiali da costruzione e altri prodotti in modo carbon neutral è un passo importante verso la riduzione della nostra dipendenza dai combustibili fossili.

"Anche se smettiamo di usare il petrolio per l'energia, avremo ancora bisogno di tutte queste molecole, " dice García de Arquer. "Se possiamo produrli utilizzando i rifiuti CO ₂ ed energie rinnovabili, possiamo avere un impatto importante in termini di decarbonizzazione della nostra economia".