In un nuovo studio della Northwestern University, il catalizzatore ha convertito con successo la CO₂ in monossido di carbonio (CO), un elemento importante per produrre una varietà di sostanze chimiche utili. Quando la reazione avviene in presenza di idrogeno, ad esempio CO₂ e l'idrogeno si trasforma in gas di sintesi (o syngas), un precursore di grande valore per la produzione di combustibili che possono potenzialmente sostituire la benzina.

Con i recenti progressi nelle tecnologie di cattura del carbonio, la cattura del carbonio post-combustione sta diventando un’opzione plausibile per aiutare ad affrontare la crisi globale del cambiamento climatico. Ma come gestire il carbonio catturato rimane una questione aperta. Il nuovo catalizzatore potrebbe potenzialmente fornire una soluzione per smaltire il potente gas serra convertendolo in un prodotto di maggior valore.

Lo studio, intitolato "An active, stable cubic molybdenum carbide catalyst for the high-temperature reverse water-gas shift reactor", è stato pubblicato sulla rivista Science .

"Anche se smettessimo di emettere CO₂ ora, la nostra atmosfera avrebbe ancora un surplus di CO₂ come risultato delle attività industriali dei secoli passati", ha affermato Milad Khoshooei della Northwestern, che ha co-diretto lo studio.

"Non esiste un'unica soluzione a questo problema. Dobbiamo ridurre la CO₂ emissioni e trovare nuovi modi per ridurre la CO₂ concentrazione già presente nell'atmosfera. Dovremmo sfruttare tutte le soluzioni possibili."

"Non siamo il primo gruppo di ricerca a convertire la CO₂ in un altro prodotto", ha affermato Omar K. Farha della Northwestern, autore senior dello studio. "Tuttavia, affinché il processo sia veramente pratico, è necessario un catalizzatore che soddisfi diversi criteri cruciali:convenienza, stabilità, facilità di produzione e scalabilità. Bilanciare questi quattro elementi è fondamentale. Fortunatamente, il nostro materiale eccelle nel soddisfare questi requisiti."

Esperto di tecnologie di cattura del carbonio, Farha è professore di chimica Charles E. ed Emma H. ​​Morrison al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. Dopo aver iniziato questo lavoro come dottorato di ricerca. Candidato all'Università di Calgary in Canada, Khoshooei ora è ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Farha.

Soluzioni dalla dispensa

Il segreto del nuovo catalizzatore è il carburo di molibdeno, un materiale ceramico estremamente duro. A differenza di molti altri catalizzatori che richiedono metalli costosi, come platino o palladio, il molibdeno è un metallo poco costoso, non prezioso e abbondante sulla Terra.

Per trasformare il molibdeno in carburo di molibdeno, gli scienziati avevano bisogno di una fonte di carbonio. Hanno scoperto un'opzione economica in un luogo inaspettato:la dispensa. Sorprendentemente, lo zucchero, il tipo bianco granulato che si trova in quasi tutte le famiglie, fungeva da fonte economica e conveniente di atomi di carbonio.

"Ogni giorno in cui provavo a sintetizzare questi materiali, portavo lo zucchero da casa mia al laboratorio", ha detto Khoshooei. "Rispetto ad altre classi di materiali comunemente utilizzati per i catalizzatori, il nostro è incredibilmente economico."

Selettivo e stabile con successo

Durante il test del catalizzatore, Farha, Khoshooei e i loro collaboratori sono rimasti colpiti dal suo successo. Operando a pressione ambiente e temperature elevate (300–600 gradi Celsius), il catalizzatore ha convertito la CO₂ in CO con selettività al 100%.

Alta selettività significa che il catalizzatore ha agito solo sulla CO₂ senza disturbare i materiali circostanti. In altre parole, l’industria potrebbe applicare il catalizzatore a grandi volumi di gas catturati e colpire selettivamente solo la CO₂ . Inoltre, il catalizzatore è rimasto stabile nel tempo, ovvero è rimasto attivo e non si è degradato.

"In chimica, non è raro che un catalizzatore perda la sua selettività dopo poche ore", ha detto Farha. "Ma, dopo 500 ore in condizioni difficili, la sua selettività non è cambiata."

Ciò è particolarmente notevole perché CO₂ è una molecola stabile e tenace.

"Conversione di CO₂ non è facile", ha detto Khoshooei. "CO₂ è una molecola chimicamente stabile e abbiamo dovuto superare questa stabilità, che richiede molta energia."

Approccio tandem alla depurazione del carbonio

Lo sviluppo di materiali per la cattura del carbonio è uno degli obiettivi principali del laboratorio di Farha. Il suo gruppo sviluppa strutture metallo-organiche (MOF), una classe di materiali altamente porosi e di dimensioni nanometriche che Farha paragona a "spugne da bagno sofisticate e programmabili". Farha esplora i MOF per diverse applicazioni, inclusa l'estrazione di CO₂ direttamente dall'aria.

Ora, Farha afferma che i MOF e il nuovo catalizzatore potrebbero lavorare insieme per svolgere un ruolo nella cattura e nel sequestro del carbonio.

"Ad un certo punto, potremmo utilizzare una MOF per catturare la CO₂ , seguito da un catalizzatore che lo converte in qualcosa di più vantaggioso", ha suggerito Farha. "Un sistema tandem che utilizza due materiali distinti per due passaggi sequenziali potrebbe essere la strada da seguire."

"Questo potrebbe aiutarci a rispondere alla domanda:'Cosa facciamo con la CO₂ catturata ?'" ha aggiunto Khoshooei.

"In questo momento, il piano è di sequestrarlo sottoterra. Ma i serbatoi sotterranei devono soddisfare molti requisiti per immagazzinare CO₂ in modo sicuro e permanente. . Volevamo progettare una soluzione più universale che possa essere utilizzata ovunque aggiungendo valore economico."