Tra le emissioni di molte operazioni industriali si nasconde una risorsa non sfruttata:l'anidride carbonica (CO₂ ). Contribuendo ai gas serra e al riscaldamento globale, potrebbe invece essere catturato e convertito in sostanze chimiche a valore aggiunto.

In un progetto di collaborazione che coinvolge l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), la Northern Illinois University e la Valparaiso University, gli scienziati hanno segnalato una famiglia di catalizzatori che converte in modo efficiente la CO₂ in etanolo, acido acetico o acido formico. Queste sostanze chimiche sono tra le più prodotte negli Stati Uniti e si trovano in molti prodotti commerciali. Ad esempio, l'etanolo è un ingrediente chiave in numerosi prodotti per la casa e un additivo per quasi tutta la benzina statunitense.

Il lavoro è pubblicato nel Journal of American Chemical Society .

I catalizzatori sono a base di stagno metallico depositato su un supporto di carbonio. "Se completamente sviluppati, i nostri catalizzatori potrebbero convertire la CO₂ prodotto da varie fonti industriali a sostanze chimiche preziose", ha affermato Di-Jia Liu. "Queste fonti includono centrali elettriche a combustibili fossili e impianti di biofermentazione e trattamento dei rifiuti." Liu è un chimico senior presso l'Argonne e uno scienziato senior presso la Pritzker School di Ingegneria Molecolare presso l'Università di Chicago.

Il metodo utilizzato dal team si chiama conversione elettrocatalitica, il che significa che CO₂ la conversione su un catalizzatore è guidata dall'elettricità. Variando la dimensione dello stagno utilizzato da singoli atomi a cluster ultrapiccoli e anche a nano-cristalliti più grandi, il team è riuscito a controllare la CO₂ conversione rispettivamente in acido acetico, etanolo e acido formico. La selettività per ciascuna di queste sostanze chimiche era del 90% o superiore. "La nostra scoperta di un percorso di reazione che cambia in base alle dimensioni del catalizzatore non ha precedenti", ha detto Liu.

Studi computazionali e sperimentali hanno rivelato diverse informazioni sui meccanismi di reazione che formano i tre idrocarburi. Un'intuizione importante è stata che il percorso di reazione cambia completamente quando l'acqua ordinaria utilizzata nella conversione viene trasformata in acqua deuterata (il deuterio è un isotopo dell'idrogeno). Questo fenomeno è noto come effetto isotopico cinetico. Non è mai stato osservato prima nella CO₂ conversione.

Questa ricerca ha beneficiato di due strutture utente del DOE Office of Science ad Argonne:l'Advanced Photon Source (APS) e il Center for Nanoscale Materials (CNM).

"Utilizzando i raggi X duri disponibili presso l'APS, abbiamo catturato le strutture chimiche ed elettroniche dei catalizzatori a base di stagno con diversi carichi di stagno", ha affermato Chengjun Sun, un fisico dell'Argonne. Inoltre, l'elevata risoluzione spaziale possibile con un microscopio elettronico a trasmissione al CNM ha ripreso direttamente la disposizione degli atomi di stagno, dai singoli atomi ai piccoli cluster, con i diversi carichi di catalizzatore.

Secondo Liu, "il nostro obiettivo finale è utilizzare l'elettricità generata localmente dall'energia eolica e solare per produrre le sostanze chimiche desiderate per il consumo locale."

Ciò richiederebbe l'integrazione dei catalizzatori appena scoperti in un elettrolizzatore a bassa temperatura per effettuare la CO₂ conversione con energia elettrica fornita da energia rinnovabile. Gli elettrolizzatori a bassa temperatura possono funzionare a temperatura e pressione prossime a quelle ambientali. Ciò consente un avvio e un arresto rapidi per soddisfare la fornitura intermittente di energia rinnovabile. È una tecnologia ideale per servire a questo scopo.

"Se riusciamo a produrre selettivamente solo le sostanze chimiche necessarie vicino al sito, possiamo contribuire a ridurre le emissioni di CO₂ costi di trasporto e stoccaggio", ha osservato Liu. "Sarebbe davvero una situazione vantaggiosa per tutti coloro che adottano la nostra tecnologia a livello locale."

Nota di correzione (24/05/2024):questo articolo in precedenza si riferiva all'etanolo, all'acido acetico e all'acido formico come "idrocarburi liquidi"; non sono però idrocarburi, poiché contengono atomi di ossigeno nelle loro molecole.