Primo piano degli ossidi metallici. Credito:Imperial College London
I ricercatori hanno risolto un ostacolo fondamentale nella produzione più ecologica, nella cattura del carbonio, nell'accumulo di energia e nella purificazione dei gas, utilizzando ossidi di metallo.
Gli ossidi di metallo sono composti che svolgono un ruolo cruciale nei processi di riduzione dell'anidride carbonica (CO2 ) emissioni. Questi processi includono la cattura, l'utilizzo e lo stoccaggio del carbonio (CCUS), la purificazione e il riciclaggio dei gas inerti nella produzione di pannelli solari, lo stoccaggio di energia termochimica e la produzione di idrogeno per l'energia.
Questi processi si basano su reazioni in cui gli ossidi metallici guadagnano e perdono elettroni, note come reazioni redox. Tuttavia, le prestazioni degli ossidi metallici risentono delle reazioni redox alle alte temperature richieste per la produzione chimica.
Ora, un team guidato dall'Imperial College London ha sviluppato una nuova strategia di progettazione dei materiali che produce ossidi metallici a base di rame che si comportano meglio alle alte temperature. La tecnologia sta già avendo un impatto globale sul riciclaggio dell'argon nella produzione di pannelli solari e si prevede che contribuirà a liberare ancora più energia dalle tecnologie energetiche esistenti che combattono la crisi climatica.
L'autrice senior, la dott.ssa Qilei Song, del Dipartimento di ingegneria chimica dell'Imperial, afferma che "mentre il mondo passa allo zero netto, abbiamo bisogno di processi industriali più innovativi per la decarbonizzazione. Per migliorare la sicurezza energetica, dobbiamo diversificare la fornitura di elettricità, dalla generazione di energia rinnovabile e stoccaggio per l'uso pulito dei combustibili fossili con le tecnologie CCUS. I nostri ossidi di metallo migliorati hanno un grande potenziale per l'uso nei processi energetici che ci stanno aiutando a raggiungere lo zero netto".
Il documento è pubblicato su Nature Communications .
Deselezionare un processo
Gli ossidi di metallo sono attori chiave in un processo relativamente nuovo chiamato Chemical Looping Combustione (CLC).
Il CLC è un modo alternativo di bruciare combustibili fossili che utilizza ossidi metallici, come gli ossidi di rame, per trasportare l'ossigeno dall'aria per reagire con il combustibile. La reazione produce CO2 e vapore, che viene condensato per consentire la cattura efficiente di CO2 per evitare che entri nell'atmosfera
Catturando il CO2 prodotto, il CLC può aiutare le persone a utilizzare i combustibili fossili in modo più pulito ed è già utilizzato nell'UE, negli Stati Uniti e in Cina.
Tuttavia, un problema chiave che ha trattenuto il CLC dall'uso su scala più ampia è l'incapacità degli ossidi metallici di mantenere buone prestazioni di rilascio di ossigeno su più cicli redox ad alte temperature.
Per risolvere il problema, i ricercatori hanno esaminato le strutture fondamentali degli ossidi metallici utilizzati nel CLC, ragionando sul fatto che la chimica dei precursori degli ossidi metallici era poco conosciuta, il che ne limitava la progettazione razionale.
Co-autore principale Michael High, Ph.D. candidato al Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'Imperial, afferma che "per risolvere la questione di come gli ossidi di metallo mantengono le loro prestazioni, abbiamo esaminato le basi dei processi chimici coinvolti nel CLC. Questo è un esempio chiave di combinazione di ricerca fondamentale e design intelligente per produrre una strategia applicabile a un'ampia gamma di processi ingegneristici".
Hanno utilizzato un modo alternativo per progettare la struttura dell'ossido di metallo da un noto precursore composto da doppi idrossidi (LDH) a strati di rame-magnesio-alluminio. Adattando la chimica dei precursori LDH, i ricercatori hanno scoperto che potrebbero produrre ossidi metallici che potrebbero comunque funzionare bene a temperature notevolmente elevate. Lo hanno dimostrato sottoponendo gli ossidi a 100 cicli chimici in un tipo di reattore ampiamente utilizzato, noto come reattore a letto fluido, per 65 ore.
La loro maggiore capacità di resistere al calore significa che gli ossidi metallici prodotti in questo modo possono essere utilizzati per liberare più energia dalla purificazione e dal riciclaggio di gas inerti come l'argon nella produzione di pannelli solari, catturando e immagazzinando carbonio, accumulo di energia chimica e producendo idrogeno pulito. Per dimostrarlo, i ricercatori hanno aumentato la produzione di ossidi metallici da utilizzare nei reattori a letto fluido. Hanno scoperto che la creazione di questi materiali è semplice e prontamente adatta per l'upscaling utilizzando i metodi di produzione industriale esistenti.
L'autore senior, il professor Paul Fennell, anche lui del Dipartimento di ingegneria chimica, afferma che "il mondo deve raggiungere zero emissioni nette di carbonio entro il 2050. Le energie rinnovabili si stanno sviluppando rapidamente, ma a breve termine dobbiamo sviluppare tecnologie di cattura del carbonio convenienti che può essere applicato per decarbonizzare il settore. Il nostro lavoro aiuterà a risolvere questa sfida globale".
Successivamente, i ricercatori studieranno la stabilità a lungo termine dei materiali durante la combustione di diversi tipi di combustibili, esploreranno nuove applicazioni per l'accumulo di energia termochimica ed estenderanno l'approccio ad altri sistemi di ossidi metallici per la produzione di idrogeno pulito tramite cicli termochimici redox. + Esplora ulteriormente
