L'anidride carbonica è il gas a effetto serra, responsabile da solo del 78% del cambiamento nel bilancio energetico nell'atmosfera terrestre tra il 1990 e il 2022.

Un sottoprodotto della combustione di combustibili fossili, l’anidride carbonica entra nell’atmosfera dagli scarichi delle auto e dalle centrali elettriche a carbone. Anche alcune risorse energetiche rinnovabili producono una piccola quantità di anidride carbonica, sebbene si tratti di una piccola frazione della quantità creata dal carbone e dal gas naturale.

Fondamentalmente, questa molecola è semplicemente una disposizione di un atomo di carbonio e due di ossigeno che può essere riorganizzata attraverso un processo chiamato riduzione elettrochimica del biossido di carbonio (CO₂ R) in combustibili puliti e sostanze chimiche utili. Ma il processo viene spesso eseguito in perdita, con processi concorrenti che trascinano gli atomi in direzioni indesiderate che creano sottoprodotti indesiderati.

In un articolo pubblicato oggi su Nature Catalysis , i ricercatori del laboratorio Amanchukwu della UChicago Pritzker School of Molecular Engineering hanno delineato un modo per manipolare le molecole d'acqua per produrre CO₂ R più efficiente, con l'obiettivo finale di creare un ciclo di energia pulita.

Attraverso il loro nuovo metodo, il team è stato in grado di eseguire CO₂ R con efficienza quasi del 100% in condizioni leggermente acide, utilizzando oro o zinco come catalizzatori.

"Immaginiamo di poter ottenere elettricità verde dal sole e dall'eolico, e quindi utilizzare questa elettricità per riconvertire l'anidride carbonica in combustibili", ha affermato il Ph.D. della PME. il candidato Reggie Gomes, primo autore del nuovo articolo.

Competere con LEI

Disassemblare elettrochimicamente una molecola è come il tiro di break in una partita a biliardo. La disposizione precedente scompare e le palline si sparpagliano sul tavolo, fermandosi in nuove combinazioni, non sempre quelle previste dal giocatore.

Allo stesso modo, i ricercatori che eseguono CO₂ R utilizzare l'elettricità e l'acqua per scomporre e riorganizzare i dannosi gas serra. Questo fa sì che gli atomi di carbonio e ossigeno dell'anidride carbonica si riversino sul tavolo insieme agli atomi di idrogeno dell'acqua.

Se funziona come previsto, gli atomi formano altre molecole più desiderabili che possono essere utilizzate come combustibili o sostanze chimiche.

Ma quando gli atomi si disperdono, spesso si formano accoppiamenti stabili di due atomi di idrogeno, un processo chiamato reazione di evoluzione dell’idrogeno (HER). Questo produce CO₂ R meno efficiente, poiché l'energia e gli atomi che diventano gas idrogeno non possono far parte delle molecole che gli scienziati stavano cercando di creare.

Anche in piccole quantità di acqua, CO₂ R è sempre in competizione con LEI.

L'Amanchukwu Lab, noto soprattutto per la sua ricerca sulle batterie, ha applicato al problema le conoscenze ricavate dalle batterie acquose, ipotizzando che il controllo dell'acqua con solventi organici potesse fornire una soluzione.

Tutto ciò che luccica

Entrambi CO₂ R e LEI fanno affidamento sull'acqua come donatore di protoni. Utilizzando solventi organici e additivi acidi, il team è riuscito a mettere a punto il comportamento dell'acqua, trovando il punto ideale in cui donava la giusta quantità di protoni per creare le molecole desiderate, non l'idrogeno gassoso e altri materiali indesiderati come i carbonati.

"Nella chimica generale apprendiamo che l'anidride carbonica reagisce con l'idrossido per formare carbonato. Ciò non è desiderato perché impoverisce la molecola che vogliamo valorizzare", ha affermato Chibueze Amanchukwu, professore assistente di ingegneria molecolare della famiglia Neubauer.

Molti dei modi più efficaci per produrre CO₂ R fare affidamento sui metalli preziosi.

"Platino, argento, oro:per scopi di ricerca, sono ottimi catalizzatori", ha detto Gomes. "Sono materiali molto stabili. Ma quando si pensa alle applicazioni industriali, diventano proibitivi in ​​termini di costi."

Progettando l'elettrolita, il nuovo metodo può ottenere risultati simili utilizzando materiali più economici e più abbondanti.

"In questo momento, il modo migliore per farlo elettrochimicamente a temperatura ambiente è utilizzare metalli preziosi. L'oro e l'argento possono sopprimere un po' la reazione di evoluzione dell'idrogeno", ha detto Amanchukwu. "Grazie alla nostra scoperta, ora possiamo utilizzare un metallo abbondante sulla terra, lo zinco, perché ora abbiamo un modo separato per controllare l'acqua."