I coloranti sono usati per rivelare i livelli di concentrazione di anidride carbonica nell'acqua. Sul lato sinistro c'è un materiale che attrae il gas, e il colorante mostra che l'anidride carbonica rimane concentrata vicino al catalizzatore. Credito:Varanasi Research Group
I sistemi per catturare e convertire l'anidride carbonica dalle emissioni delle centrali elettriche potrebbero essere strumenti importanti per frenare il cambiamento climatico, ma la maggior parte sono relativamente inefficienti e costosi. Ora, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un metodo che potrebbe aumentare significativamente le prestazioni dei sistemi che utilizzano superfici catalitiche per aumentare la velocità delle reazioni elettrochimiche di sequestro del carbonio.
Tali sistemi catalitici sono un'opzione interessante per la cattura del carbonio perché possono produrre utili, prodotti di pregio, come combustibili per il trasporto o materie prime chimiche. Questo risultato può aiutare a sovvenzionare il processo, compensare i costi di riduzione delle emissioni di gas serra.
In questi sistemi, tipicamente un flusso di gas contenente anidride carbonica passa attraverso l'acqua per fornire anidride carbonica per la reazione elettrochimica. Il movimento attraverso l'acqua è lento, che rallenta la velocità di conversione dell'anidride carbonica. Il nuovo design assicura che il flusso di anidride carbonica rimanga concentrato nell'acqua proprio accanto alla superficie del catalizzatore. Questa concentrazione, i ricercatori hanno dimostrato, può quasi raddoppiare le prestazioni del sistema.
I risultati sono descritti oggi sulla rivista Cell Report Scienze fisiche in un articolo del postdoc del MIT Sami Khan Ph.D. '19, che ora è assistente alla Simon Fraser University, insieme ai professori di ingegneria meccanica del MIT Kripa Varanasi e Yang Shao-Horn, e il neolaureato Jonathan Hwang Ph.D. '19.
"Il sequestro dell'anidride carbonica è la sfida dei nostri tempi, "Dice Varanasi. Ci sono una serie di approcci, compreso il sequestro geologico, stoccaggio oceanico, mineralizzazione, e conversione chimica. Quando si tratta di rendere utile, prodotti vendibili da questo gas serra, la conversione elettrochimica è particolarmente promettente, ma ha ancora bisogno di miglioramenti per diventare economicamente sostenibile. "L'obiettivo del nostro lavoro era capire qual è il grande collo di bottiglia in questo processo, e per migliorare o mitigare tale collo di bottiglia, " lui dice.
Sulla sinistra, una bolla colpisce una superficie appositamente strutturata che attira il gas, e si diffonde sulla superficie, mentre a destra una bolla colpisce una superficie non trattata e rimbalza via. La superficie trattata viene utilizzata nel nuovo lavoro per mantenere l'anidride carbonica vicino a un catalizzatore. Credito:Varanasi Research Group
Il collo di bottiglia si è rivelato comportare la consegna dell'anidride carbonica alla superficie catalitica che favorisce le trasformazioni chimiche desiderate, i ricercatori hanno scoperto. In questi sistemi elettrochimici, il flusso di gas contenenti anidride carbonica viene miscelato con acqua, sotto pressione o mediante gorgogliamento attraverso un contenitore dotato di elettrodi di un materiale catalizzatore come il rame. Viene quindi applicata una tensione per promuovere reazioni chimiche che producono composti di carbonio che possono essere trasformati in combustibili o altri prodotti.
Ci sono due sfide in tali sistemi:la reazione può procedere così velocemente da consumare la fornitura di anidride carbonica che raggiunge il catalizzatore più rapidamente di quanto possa essere reintegrata; e se ciò accade, una reazione concorrente, la scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno, può prendere il sopravvento e assorbire gran parte dell'energia che viene immessa nella reazione.
Gli sforzi precedenti per ottimizzare queste reazioni testurizzando le superfici del catalizzatore per aumentare l'area superficiale per le reazioni non erano riusciti a soddisfare le loro aspettative, perché l'apporto di anidride carbonica alla superficie non poteva tenere il passo con l'aumento della velocità di reazione, passando così alla produzione di idrogeno nel tempo.
I ricercatori hanno affrontato questi problemi attraverso l'uso di una superficie che attrae il gas posta in prossimità del materiale del catalizzatore. Questo materiale è un "gasfilico" appositamente strutturato, " materiale superidrofobico che respinge l'acqua ma consente a uno strato liscio di gas chiamato piastrone di rimanere vicino alla sua superficie. Mantiene il flusso di anidride carbonica in ingresso proprio contro il catalizzatore in modo da massimizzare le reazioni di conversione dell'anidride carbonica desiderate. Utilizzando indicatori di pH a base di coloranti, i ricercatori sono stati in grado di visualizzare i gradienti di concentrazione di anidride carbonica nella cella di prova e dimostrare che la maggiore concentrazione di anidride carbonica emana dal piastrone.
In una serie di esperimenti di laboratorio che utilizzano questa configurazione, la velocità della reazione di conversione del carbonio è quasi raddoppiata. Si è inoltre mantenuto nel tempo, mentre negli esperimenti precedenti la reazione svanì rapidamente. Il sistema ha prodotto alti tassi di etilene, propanolo, ed etanolo, un potenziale carburante per autoveicoli. Nel frattempo, l'evoluzione dell'idrogeno in competizione è stata drasticamente ridotta. Sebbene il nuovo lavoro permetta di mettere a punto il sistema per produrre il mix di prodotto desiderato, in alcune applicazioni, l'ottimizzazione per la produzione di idrogeno come combustibile potrebbe essere il risultato desiderato, cosa che si può anche fare.
Qui, i coloranti vengono utilizzati per rivelare i livelli di concentrazione di anidride carbonica nell'acqua. Il verde indica le aree in cui l'anidride carbonica è più concentrata, e il blu mostra le aree in cui è esaurito. La regione verde a sinistra mostra l'anidride carbonica che rimane concentrata vicino al catalizzatore, grazie al materiale che attrae il gas. Credito:Varanasi Research Group
"La metrica importante è la selettività, "Khan dice, riferendosi alla capacità di generare composti preziosi che saranno prodotti da un determinato mix di materiali, trame, e tensioni, e per regolare la configurazione in base all'uscita desiderata.
Concentrando l'anidride carbonica vicino alla superficie del catalizzatore, il nuovo sistema ha prodotto anche due nuovi composti di carbonio potenzialmente utili, acetone, e acetato, che non era stato precedentemente rilevato in alcuno di tali sistemi elettrochimici a velocità apprezzabili.
In questo primo lavoro di laboratorio, una singola striscia di idrofobico, materiale attrattore di gas è stato posto accanto a un singolo elettrodo di rame, ma in futuro si potrebbe realizzare un dispositivo pratico utilizzando una fitta serie di coppie di piastre intercalate, Varanasi suggerisce.
Rispetto al lavoro precedente sulla riduzione elettrochimica del carbonio con catalizzatori a nanostrutture, Varanasi dice, "li superiamo significativamente tutti, perché anche se è lo stesso catalizzatore, è il modo in cui stiamo fornendo l'anidride carbonica che cambia il gioco".
