Il metanolo, prodotto dall'anidride carbonica nell'aria, può essere utilizzato per produrre combustibili carbon neutral. Ma per fare ciò, il meccanismo mediante il quale il metanolo viene trasformato in idrocarburi liquidi deve essere meglio compreso in modo da ottimizzare il processo catalitico. Ora, utilizzando sofisticate tecniche analitiche, i ricercatori dell'ETH Zürich e del Paul Scherrer Institute hanno acquisito una visione senza precedenti di questo complesso meccanismo.

Mentre lottiamo per destreggiarci tra l'impatto delle emissioni e il nostro desiderio di mantenere il nostro stile di vita affamato di energia, l'uso dell'anidride carbonica nell'atmosfera per creare nuovi combustibili è un'alternativa eccitante e a emissioni zero. Un modo per farlo è creare metanolo dall'anidride carbonica nell'aria, utilizzando un processo chiamato idrogenazione. Questo metanolo può quindi essere convertito in idrocarburi. Sebbene questi vengano poi bruciati, rilasciando anidride carbonica, questa è bilanciata dall'anidride carbonica catturata per produrre il carburante.

Per sviluppare pienamente questo combustibile sostenibile, è necessaria una comprensione più profonda del meccanismo mediante il quale il metanolo, in una reazione catalizzata dalle zeoliti, materiali solidi con architetture porose uniche, è necessario trasformare in idrocarburi a catena lunga. Con questo in mente, nell'ambito di NCCR Catalysis, un Centro nazionale svizzero di competenza nella ricerca, i ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno unito le forze con i ricercatori del Paul Scherrer Institut PSI per rivelare i dettagli di questo meccanismo di reazione, i cui risultati sono stati pubblicati nella rivista Nature Catalysis .

"Le informazioni sono fondamentali per lo sviluppo di catalizzatori più selettivi e stabili", spiega Javier Pérez-Ramírez, professore di ingegneria della catalisi all'ETH di Zurigo e direttore di NCCR Catalysis, che ha co-diretto lo studio. "Prima del nostro studio, nonostante i numerosi sforzi, gli aspetti meccanicistici chiave della complessa trasformazione del metanolo in idrocarburi non erano ben compresi."

I ricercatori erano interessati a confrontare il processo da metanolo a idrocarburi con un altro processo:quello di trasformare il cloruro di metile in idrocarburi. Le raffinerie di petrolio bruciano spesso grandi quantità di gas naturale ricco di metano indesiderato. Questa attività inquinante e dispendiosa si traduce nei tipici razzi associati alle raffinerie di petrolio. "Trasformare il cloruro di metile in idrocarburi è una sorta di tecnologia a ponte", spiega Pérez-Ramírez. "Certo, vorremmo allontanarci dai combustibili fossili, ma nel frattempo questo sarebbe un modo per evitare di sprecare le vaste riserve di prezioso metano".

Le molecole in fase gassosa in fuga raccontano la storia

La chiave per comprendere meccanismi di reazione complessi come questi è rilevare le diverse specie coinvolte, compresi i prodotti intermedi. Le tecniche tradizionali esaminano direttamente la superficie del catalizzatore per comprendere la reazione, ma una parte importante della storia è raccontata dalle molecole in fase gassosa, che si staccano dal catalizzatore.

"Queste molecole sono spesso altamente reattive e di vita molto breve, decomponendosi in pochi millisecondi. Ciò rende l'identificazione di esse una vera sfida, poiché i metodi analitici tradizionali in fase gassosa sono semplicemente troppo lenti", spiega Patrick Hemberger, scienziato del vacuum ultra violet (VUV ) fascio luminoso della Swiss Light Source SLS, le cui sofisticate tecniche analitiche consentirebbero ai ricercatori di studiare la reazione mentre è avvenuta.

Alla linea di luce VUV, la spettroscopia Photoion Photoelectron Coincidence (PEPICO) è stata recentemente affermata come un potente strumento analitico nelle reazioni catalitiche. Combina due diverse tecniche analitiche, spettroscopia fotoelettronica e spettrometria di massa, per fornire informazioni dettagliate sugli intermedi di reazione in fase gassosa, consentendo anche la differenziazione tra isomeri.

"Poiché raccogliamo contemporaneamente due diversi tipi di informazioni, possiamo identificare rapidamente queste specie fugaci anche in una miscela contenente fino a un centinaio di intermedi e prodotti di reazione. Questo ci dà una visione senza precedenti che semplicemente non è possibile con i metodi convenzionali", Hemberger dice.

Rivelati percorsi di reazione

La spettroscopia ha consentito ai ricercatori di rivelare come si formano i legami carbonio-carbonio e la catena degli idrocarburi cresce rilevando numerosi prodotti intermedi. Per i due processi - da metanolo a idrocarburo e da cloruro di metile a idrocarburo - i ricercatori hanno osservato che si stavano verificando diversi intermedi di reazione. Da ciò, potrebbero identificare due distinte vie di reazione, una guidata dai radicali metilici, presenti in entrambe le reazioni, e un'altra guidata dalle specie ossigenate, i cosiddetti cheteni, che si verificavano solo nella reazione del metanolo agli idrocarburi.

I ricercatori sono stati anche in grado di comprendere una caratteristica interessante delle reazioni:dopo diversi giorni il catalizzatore è stato disattivato e la reazione si è interrotta. Ciò era dovuto all'accumulo di un sottoprodotto indesiderato, il coke, che è costituito da grandi idrocarburi aromatici depositati durante la reazione.

Con l'aiuto di un'altra tecnica spettroscopica, la spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica, i ricercatori hanno visto che la produzione di cloruro di metile per idrocarburi era molto più soggetta alla formazione di coke rispetto alla produzione di metanolo. Forte della conoscenza delle vie di reazione, la ragione di questa differenza era chiara:"La via da metanolo a idrocarburi procede lungo due vie di reazione, mentre la via da cloruro di metile a idrocarburo può prendere solo la via più reattiva del radicale metilico, che è più incline a formando coke", spiega Gunnar Jeschke, il cui team dell'ETH Zürich ha eseguito gli studi di spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica.

Capire il meccanismo per ottimizzare il processo

L'intuizione acquisita da questo studio è essenziale per lo sviluppo futuro di combustibili liquidi in modo sostenibile. Ciò potrebbe includere la ricerca di modi per migliorare il percorso guidato dall'ossigeno, sopprimendo così la formazione di coke.

"Ora abbiamo una comprensione più profonda del meccanismo di reazione del metanolo agli idrocarburi o del cloruro di metile agli idrocarburi e con questa conoscenza possiamo ottimizzare il processo industriale in modo mirato per renderlo più efficiente", aggiunge Hemberger. + Esplora ulteriormente

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