I catalizzatori accelerano le reazioni chimiche e costituiscono la spina dorsale di molti processi industriali. Per esempio, sono essenziali per trasformare l'olio pesante in benzina o carburante per aerei. Oggi, i catalizzatori sono coinvolti in oltre l'80% di tutti i prodotti fabbricati.

Un gruppo di ricerca, guidato dall'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) in collaborazione con la Northern Illinois University, ha scoperto un nuovo elettrocatalizzatore che converte l'anidride carbonica (CO ₂ ) e acqua in etanolo ad altissima efficienza energetica, alta selettività per il prodotto finale desiderato e basso costo. L'etanolo è un prodotto particolarmente desiderabile perché è un ingrediente in quasi tutta la benzina degli Stati Uniti ed è ampiamente usato come prodotto intermedio nella chimica, industrie farmaceutiche e cosmetiche.

"Il processo risultante dal nostro catalizzatore contribuirebbe all'economia circolare del carbonio, che comporta il riutilizzo dell'anidride carbonica, " ha detto Di-Jia Liu, chimico senior nella divisione di scienze chimiche e ingegneria di Argonne e scienziato CASE di Chicago presso la Pritzker School of Molecular Engineering, Università di Chicago. Questo processo lo farebbe convertendo elettrochimicamente la CO ₂ emessi da processi industriali, come centrali elettriche a combustibili fossili o impianti di fermentazione dell'alcol, in beni di valore a costi ragionevoli.

Il catalizzatore del team è costituito da rame disperso atomicamente su un supporto di polvere di carbonio. Per una reazione elettrochimica, questo catalizzatore rompe la CO ₂ e molecole d'acqua e riassembla selettivamente le molecole rotte in etanolo sotto un campo elettrico esterno. La selettività elettrocatalitica, o "efficienza faradaica, "del processo è oltre il 90 per cento, molto più alto di qualsiasi altro processo segnalato. Inoltre, il catalizzatore funziona stabilmente per un funzionamento prolungato a bassa tensione.

"Con questa ricerca, abbiamo scoperto un nuovo meccanismo catalitico per convertire l'anidride carbonica e l'acqua in etanolo, " disse Tao Xu, un professore di chimica fisica e nanotecnologia della Northern Illinois University. "Il meccanismo dovrebbe anche fornire una base per lo sviluppo di elettrocatalizzatori altamente efficienti per la conversione dell'anidride carbonica in una vasta gamma di sostanze chimiche a valore aggiunto".

Perché CO ₂ è una molecola stabile, trasformarlo in una molecola diversa è normalmente energivoro e costoso. Però, secondo Liu, "Potremmo accoppiare il processo elettrochimico della CO ₂ -conversione in etanolo utilizzando il nostro catalizzatore alla rete elettrica e sfruttare l'elettricità a basso costo disponibile da fonti rinnovabili come solare ed eolica durante le ore non di punta." Poiché il processo funziona a bassa temperatura e pressione, può avviarsi e arrestarsi rapidamente in risposta alla fornitura intermittente di elettricità rinnovabile.

La ricerca del team ha beneficiato di due strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso Argonne, l'Advanced Photon Source (APS) e il Center for Nanoscale Materials (CNM), nonché il Laboratory Computing Resource Center (LCRC) di Argonne. "Grazie all'elevato flusso di fotoni dei fasci di raggi X all'APS, abbiamo catturato i cambiamenti strutturali del catalizzatore durante la reazione elettrochimica, '' ha detto Tao Li, un assistente professore presso il Dipartimento di Chimica e Biochimica presso la Northern Illinois University e un assistente scienziato nella divisione di Scienze dei raggi X di Argonne. Questi dati, insieme alla microscopia elettronica ad alta risoluzione al CNM e alla modellazione computazionale mediante l'LCRC, hanno rivelato una trasformazione reversibile dal rame disperso atomicamente a gruppi di tre atomi di rame ciascuno su applicazione di una bassa tensione. il CO ₂ La catalisi in etanolo avviene su questi minuscoli ammassi di rame. Questa scoperta sta facendo luce sui modi per migliorare ulteriormente il catalizzatore attraverso una progettazione razionale.

"Abbiamo preparato diversi nuovi catalizzatori utilizzando questo approccio e abbiamo scoperto che sono tutti altamente efficienti nella conversione della CO ₂ ad altri idrocarburi, " ha detto Liu. "Abbiamo in programma di continuare questa ricerca in collaborazione con l'industria per far progredire questa promettente tecnologia".