Trovare modi per catturare, immagazzinare e utilizzare l'anidride carbonica (CO2 ) resta un problema globale urgente. Mentre le temperature continuano ad aumentare, la CO2 viene mantenuta dall'ingresso nell'atmosfera può aiutare a limitare il riscaldamento laddove i combustibili a base di carbonio sono ancora necessari.
Sono stati compiuti progressi significativi nella creazione di tecnologie pratiche e convenienti per la cattura del carbonio. I liquidi che catturano il carbonio, detti solventi quando sono presenti in abbondanza, possono catturare in modo efficiente la CO2 molecole provenienti da centrali elettriche a carbone, cartiere e altre fonti di emissione. Tuttavia, funzionano tutti attraverso la stessa chimica fondamentale, o almeno così hanno ipotizzato i ricercatori.
Nel nuovo lavoro pubblicato su Nature Chemistry , gli scienziati sono rimasti sorpresi nello scoprire che un solvente familiare è ancora più promettente di quanto inizialmente previsto. Nuovi dettagli sulla struttura sottostante del solvente suggeriscono che il liquido potrebbe contenere il doppio della CO2 come si pensava in precedenza. La struttura appena rivelata potrebbe anche essere la chiave per creare una serie di materiali a base di carbonio che potrebbero aiutare a trattenere ancora più CO2 fuori dall'atmosfera.
Il team del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ha sviluppato il solvente diversi anni fa e lo ha studiato in una varietà di scenari. Il team ha lavorato per ridurre i costi di utilizzo del solvente e aumentarne l’efficienza. L’anno scorso hanno rivelato il sistema di cattura del carbonio meno costoso mai realizzato. È stato durante questa ricerca che il team ha notato qualcosa di strano.
"Stavamo cercando di fare un diverso tipo di separazione del gas ad alta pressione", ha detto David Heldebrant, chimico del PNNL e co-autore corrispondente. "Abbiamo visto che la soluzione diventava significativamente più densa e nei nostri spettri è apparso un nuovo picco, indicando che si era formato qualcosa di nuovo. Era del tutto inaspettato e sapevamo che dovevamo andare a fondo."
Heldebrant si è rivolto ai suoi collaboratori dell'Università Claude Bernard Lyon 1 e dell'Università del Texas a El Paso per aiutarli a districare i cambiamenti molecolari dietro i risultati.
"Questo lavoro è uno sforzo veramente interdisciplinare e collaborativo", ha affermato Jose Leobardo Bañuelos, professore presso l'Università del Texas a El Paso. "Le domande che dovevamo porre richiedevano più di un solo tipo di competenza. Abbiamo esaminato la struttura complessiva del solvente esposto alla CO2 e abbiamo riscontrato un ordine sostanzialmente maggiore di quanto ci aspettassimo."
Sembrava che le molecole si raggruppassero quando avrebbero dovuto essere accoppiate. Ma cosa significavano le nuove strutture ordinate?
Quando il team ha dato uno sguardo nuovo al solvente CO2 utilizzando strumenti di chimica analitica, hanno rilevato cluster autoassemblati di molecole di solvente. Inizialmente, i ricercatori hanno cercato di adattare i dati a un modello utilizzando solo due molecole di solvente. Nonostante le loro aspettative iniziali, i dati semplicemente non corrispondevano.
Quando i ricercatori hanno utilizzato un modello con quattro molecole di solvente, i risultati sono andati a buon fine. Un cluster di quattro componenti era in realtà la forma del solvente che il team aveva osservato. La struttura flessibile può subire una serie di spostamenti per accogliere la CO2 in entrata molecole. La CO2 alla fine raggiunge il nucleo dell'ammasso, sede di una tasca del sito attivo che può essere simile a quelle che esistono all'interno degli enzimi. In effetti, la struttura complessiva del cluster e le interazioni sembrano somigliare alle proteine.
La tasca di legame del sito attivo è al centro della chimica appena osservata. In genere, i sistemi di cattura del carbonio funzionano con una singola CO2 molecola che si lega e può reagire per formare qualcosa di diverso. Avere tutto vincolato a reazioni che coinvolgono una CO2 limita le fasi successive della conversione del carbonio. Il cluster consente qualcosa di diverso.
Il picco inaspettato originariamente scoperto dal team corrisponde alla formazione di una nuova specie che include due diverse molecole di CO2 . I cluster incorporano CO2 gradualmente, prima catturando e attivando una molecola seguita dalla seconda. I dati mostrano un effetto cooperativo:avere una molecola di CO2 legato cambia il modo in cui la seconda molecola si lega.
"Siamo davvero entusiasti delle nuove possibilità di progettazione dei solventi che si aprono", ha affermato Heldebrant. "Se riusciamo a trovare modi per costruire intenzionalmente una cooperazione che aumenti la CO2 vincolante, potremmo cambiare il modo in cui funzionano i sistemi di cattura del carbonio."
Una volta entrambi CO2 le molecole si trovano all'interno del cluster e possono reagire tra loro, creando diverse molecole a base di carbonio che potrebbero espandere i potenziali usi della CO2 catturata .
"Quello che stiamo facendo qui sta cambiando una variabile importante nel processo", ha detto Heldebrant. "Storicamente abbiamo catturato ogni CO2 da solo. Legare due CO2 insieme potrebbero aiutarci a raddoppiare effettivamente la capacità di archiviazione dei nostri sistemi di acquisizione."
Le molecole appena connesse hanno proprietà molto diverse dalla CO2 . Ciò cambia la chimica richiesta per separare il carbonio catturato dal solvente. Queste CO2 sono più grandi e rappresentano un primo passo verso la creazione di CO2 -polimeri ricchi.
Un problema persistente con il carbonio catturato è cosa farne. Mentre lo stoccaggio a lungo termine di CO2 è un'opzione, presenta sfide logistiche e può aggiungere costi a un processo di cattura già costoso. Trovare modi per convertire la CO2 catturata in prodotti economicamente preziosi potrebbe aiutare a compensare i costi di cattura e fornire un passo avanti verso un ciclo chiuso del carbonio.
Unendo due CO2 molecole insieme durante la fase di cattura iniziale, questo lavoro presenta un nuovo modo di affrontare la conversione e l’utilizzo del carbonio. Invece di iniziare con CO2 , i ricercatori potrebbero avere diverse opzioni per creare nuove sostanze chimiche. Ciò apre le porte a diversi tipi di chimica precedentemente considerati irrealistici per la CO2 conversione. Questi potenziali passi successivi sono possibili solo concentrandosi sulla scienza fondamentale alla base della cattura del carbonio.
"C'è così tanta urgenza nell'implementazione di sistemi di cattura del carbonio", ha detto Julien Leclaire, professore all'Università Claude Bernard Lyon 1 e co-autore corrispondente dell'articolo. "Non sempre esploriamo i dettagli su scala molecolare di questi processi a causa della loro complessità. Ma a volte possiamo trovare approfondimenti che collegano il comportamento molecolare e su larga scala."
Oltre a Heldebrant, i ricercatori del PNNL includono Katarzyna Grubel, Eric Walter, Ying Chen, Difan Zhang, Manh Thuong Nguyen, Debmalya Ray, Sarah Allec, Deepika Malhotra, Wontae Joo e Jaelynne King. Oltre a Leclaire, tra i ricercatori dell'Università Claude Bernard Lyon 1 figurano Jean Septavaux e Marc Hennenbelle.
Ulteriori informazioni: Julien Leclaire et al, L'autoassemblaggio tetramerico di solventi magri a base d'acqua consente la chimica di cattura della CO2 basata sull'anidride carbammata, Chimica naturale (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01495-z
Informazioni sul giornale: Chimica della Natura
Fornito dal Pacific Northwest National Laboratory
