I ricercatori dell'Università di Toronto Engineering hanno sviluppato un sistema elettrochimico migliorato che aumenta il valore della CO . catturata ₂ convertendone più che mai in prodotti di valore.

L'Agenzia internazionale per l'energia ha recentemente citato la cattura e lo stoccaggio del carbonio come una delle strategie che possono aiutare a mantenere le emissioni globali abbastanza basse da limitare il riscaldamento globale a 1,5 °C entro il 2050. Ma il carbonio catturato ha attualmente scarso valore economico, riducendo l'incentivo per le aziende a investire in questa tecnologia.

Un team di ingegneria dell'Università di Toronto guidato dal professor Ted Sargent sta affrontando questa sfida progettando elettrolizzatori avanzati che utilizzano l'elettricità per convertire la CO catturata ₂ negli elementi costitutivi petrolchimici dei comuni materiali di uso quotidiano, dalla plastica alla lycra. Questo aiuta a creare un mercato per il carbonio catturato, fornendo anche un'alternativa a basse emissioni di carbonio ai processi di produzione basati sui combustibili fossili in uso oggi.

A differenza dei sistemi precedenti, l'ultimo progetto del team può essere eseguito in condizioni fortemente acide, che riduce le reazioni collaterali indesiderate e migliora l'efficienza complessiva.

"Nei sistemi precedenti, dovevi scegliere se puntare su un uso efficiente dell'elettricità, o un uso efficiente del carbonio, "dice Sargent, autore senior di un nuovo articolo pubblicato oggi in Scienza . "Il nostro team ha utilizzato un nuovo design del catalizzatore all'interno dell'elettrolizzatore per consumare una grande frazione del carbonio in ingresso, pur mantenendo una buona produttività verso prodotti desiderabili di alto valore."

Nell'elettrolizzatore, CO . catturata ₂ è disciolto in un elettrolita liquido, che scorre sul catalizzatore solido attraverso il quale viene fornita l'elettricità.

"Quello che vogliamo è per la CO . disciolta ₂ nel reattore per assorbire gli elettroni e convertirsi in etilene e altri prodotti, " dice il dottorando Jianan Erick Huang, uno dei tre co-autori principali del nuovo documento insieme al collega Ph.D. il candidato Adnan Ozden e il borsista postdottorato Fengwang Li, che ora sta continuando una ricerca simile presso l'Università di Sydney.

"Ma, nei rapporti precedenti che operavano a pH elevato, ovvero condizioni alcaline o neutre, la maggior parte della CO ₂ è sprecato, perché invece viene convertito in carbonato."

Huang dice che mentre il carbonato può essere estratto, convertito in CO ₂ e reintrodotto nell'elettrolizzatore, farlo è energeticamente costoso. I calcoli del team mostrano che più della metà dell'energia consumata dall'intero sistema verrebbe spesa per riciclare il carbonato in questo modo.

Far funzionare l'elettrolizzatore a pH basso, o condizioni acide, previene la formazione di carbonato, ma introduce un problema diverso:ora la reazione più favorevole è l'evoluzione dell'idrogeno. Ciò significa che gli ioni idrogeno (cioè, protoni) nella soluzione acida assorbono gli elettroni e vengono convertiti in gas idrogeno, lasciando pochi elettroni disponibili per combinarsi con la CO ₂ .

Huang e il team hanno affrontato questo problema utilizzando due strategie in combinazione. Primo, in condizioni acide, hanno aumentato la densità di corrente, inondare il reattore di elettroni. Gli ioni di idrogeno si precipitarono a reagire con loro, ma sono rimasti intrappolati in un ingorgo molecolare:il termine tecnico è limitazione del trasporto di massa.

"In effetti, stiamo creando un reattore che è completamente acido, ad eccezione di un minuscolo strato entro meno di 50 micrometri dalla superficie del catalizzatore, " dice Huang. "In quella specifica regione, non è acido, infatti è leggermente alcalino. Là, CO ₂ possono essere ridotti ad etilene da quegli elettroni."

Il passo successivo è stato quello di aggiungere uno ione caricato positivamente, in questo caso potassio, alla reazione. Questo ha creato un campo elettrico vicino al catalizzatore che ha reso più facile la CO ₂ ad adsorbire in superficie, dandogli il vantaggio nella competizione con l'idrogeno.

Le due modifiche hanno fatto una grande differenza. I sistemi precedenti avevano tipicamente utilizzato meno del 15% del carbonio disponibile, perdendo il resto in carbonato. Il nuovo sistema utilizza circa il 77% del carbonio disponibile, con oltre il 50% convertito in prodotti multicarbonio come etilene ed etanolo. (L'altro 27% va a prodotti a carbonio singolo come monossido di carbonio e acido formico.)

"Questa svolta aiuta a spianare la strada a un futuro economicamente sostenibile per la CO ₂ utilizzo anche con CO . elevata ₂ catturare i costi oggi, "dice il dottor Philip Llewellyn, Responsabile della cattura e dell'utilizzo del carbonio (CCUS) per TOTAL SE, che ha sostenuto finanziariamente la ricerca. "Se si considerano ulteriormente i previsti aumenti della tassa sul carbonio necessari per raggiungere gli obiettivi climatici globali, ciò rappresenta una significativa accelerazione dell'impatto del time-to-market e del time-to-clima per la CO ₂ elettrolizzatori."

Ci sono ancora ostacoli da superare prima che questo sistema possa essere scalato a livello industriale, compresa la stabilità del catalizzatore all'aumentare delle sue dimensioni e la necessità di ulteriori risparmi energetici. Ancora, Huang è orgoglioso di ciò che la squadra ha realizzato.

"Creando un reattore che è acido in un punto e alcalino in un altro, abbiamo infranto un limite teorico, " dice. "Non dobbiamo scegliere tra l'efficienza del carbonio e l'efficienza degli elettroni:possiamo ottimizzare entrambi per ottenere il miglior sistema complessivo. Sarà una sfida, ma penso che ora sia fattibile".