Illustrazione del sistema ElectroCatalysis che ha sintetizzato il nanofilo liscio e poi lo ha attivato applicando una tensione per ottenere la superficie a gradini ruvida altamente selettiva per la riduzione della CO2 in etilene. Credito:Yu Huang e William A. Goddard III
Un team di ricerca di Caltech e della UCLA Samueli School of Engineering ha dimostrato un modo promettente per convertire in modo efficiente l'anidride carbonica in etilene, un'importante sostanza chimica utilizzata per produrre plastica, solventi, cosmetici e altri prodotti importanti a livello globale.
Gli scienziati hanno sviluppato fili di rame su scala nanometrica con superfici sagomate appositamente per catalizzare una reazione chimica che riduce le emissioni di gas serra generando contemporaneamente etilene, una sostanza chimica preziosa. Gli studi computazionali della reazione mostrano che il catalizzatore sagomato favorisce la produzione di etilene rispetto all'idrogeno o al metano. Uno studio che dettaglia l'anticipo è stato pubblicato in Catalisi della natura .
"Siamo sull'orlo dell'esaurimento dei combustibili fossili, insieme alle sfide del cambiamento climatico globale, " disse Yu Huang, l'autore corrispondente dello studio, e professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UCLA. "Sviluppare materiali in grado di trasformare in modo efficiente i gas serra in combustibili a valore aggiunto e materie prime chimiche è un passaggio fondamentale per mitigare il riscaldamento globale evitando l'estrazione di combustibili fossili sempre più limitati. Questo esperimento integrato e l'analisi teorica presentano un percorso sostenibile verso l'upcycling dell'anidride carbonica e utilizzo."
Attualmente, l'etilene ha una produzione annua globale di 158 milioni di tonnellate. Gran parte di questo viene trasformato in polietilene, che viene utilizzato negli imballaggi di plastica. L'etilene viene lavorato da idrocarburi, come il gas naturale.
"L'idea di usare il rame per catalizzare questa reazione esiste da molto tempo, ma la chiave è accelerare il ritmo in modo che sia abbastanza veloce per la produzione industriale, " disse William A. Goddard III, l'autore corrispondente dello studio e Charles and Mary Ferkel Professor of Chemistry di Caltech, Scienza dei materiali, e Fisica Applicata. "Questo studio mostra un solido percorso verso quel marchio, con il potenziale per trasformare la produzione di etilene in un'industria più verde utilizzando CO 2 che altrimenti finirebbe nell'atmosfera."
Usando il rame per avviare l'anidride carbonica (CO 2 ) riduzione in reazione dell'etilene (C 2 h 4 ) ha subito due strike contro di essa. Primo, la reazione chimica iniziale ha prodotto anche idrogeno e metano, entrambi indesiderabili nella produzione industriale. Secondo, i precedenti tentativi che hanno portato alla produzione di etilene non sono durati a lungo, con l'efficienza di conversione che si riduceva man mano che il sistema continuava a funzionare.
Per superare questi due ostacoli, i ricercatori si sono concentrati sulla progettazione dei nanofili di rame con "gradini" altamente attivi, simili a una serie di scale disposte su scala atomica. Una scoperta interessante di questo studio collaborativo è che questo modello di passaggio attraverso le superfici dei nanofili è rimasto stabile nelle condizioni di reazione, contrariamente alla convinzione generale che queste caratteristiche ad alta energia si appianerebbero. Questa è la chiave sia della durata del sistema che della selettività nella produzione di etilene, invece di altri prodotti finali.
Il team ha dimostrato un tasso di conversione di anidride carbonica in etilene superiore al 70%, molto più efficiente rispetto ai modelli precedenti, che ha prodotto almeno il 10% in meno alle stesse condizioni. Il nuovo sistema ha funzionato per 200 ore, con pochi cambiamenti nell'efficienza di conversione, un importante passo avanti per i catalizzatori a base di rame. Inoltre, la comprensione globale della relazione struttura-funzione ha illustrato una nuova prospettiva per progettare CO . altamente attivo e durevole 2 catalizzatore di riduzione in azione.
Huang e Goddard sono stati frequenti collaboratori per molti anni, con il gruppo di ricerca di Goddard che si concentra sulle ragioni teoriche che stanno alla base delle reazioni chimiche, mentre il gruppo di Huang ha creato nuovi materiali e condotto esperimenti. L'autore principale dell'articolo è Chungseok Choi, uno studente laureato in scienze e ingegneria dei materiali presso l'UCLA Samueli e membro del laboratorio di Huang.
