Attraverso sforzi congiunti guidati dai professori Dae-hyun Nam e Youn-gu Lee del Dipartimento di scienza e ingegneria energetica del DGIST e dal professor Seo-in Back del Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare dell'Università di Sogang, il gruppo di ricerca ha ideato una tecnologia per migliorare sostanzialmente la produzione di etilene incorporando la vitamina C in un catalizzatore di riduzione del biossido di carbonio di un sistema eterogeneo.

Ciò si basa sull'osservazione che la presenza di anidride carbonica nell'aria influisce sui livelli di vitamina C nella frutta.

La riduzione elettrochimica dell'anidride carbonica sta guadagnando il riconoscimento come una tecnologia fondamentale per "l'energia ecologica". Questo processo mira a ridurre la concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera generando allo stesso tempo fonti più pulite di energia futura. Tuttavia, i catalizzatori elettrochimici esistenti devono affrontare sfide per ottenere prestazioni catalitiche costanti in condizioni di elevata densità di corrente.

Questa limitazione ostacola la formazione del prodotto intermedio essenziale, il monossido di carbonio, che svolge un ruolo critico nella conversione dell'etilene. Invece, questi catalizzatori tendono a indurre la reazione per la generazione di idrogeno piuttosto che la reazione di riduzione dell'anidride carbonica.

Pertanto, per una riduzione continua del biossido di carbonio, è importante ottenere una formazione stabile del prodotto intermedio di monossido di carbonio ad alta densità di corrente attraverso un catalizzatore elettrochimico e promuovere la dimerizzazione in cui due prodotti intermedi di monossido di carbonio sono combinati.

Pertanto, il gruppo di ricerca guidato dal professor Nam del DGIST ha ideato un metodo per integrare la reazione di ossidoriduzione della vitamina C nella riduzione elettrochimica dell'anidride carbonica, basato sul fenomeno per cui il contenuto di vitamina C nei frutti diminuisce in un ambiente ad alta concentrazione di anidride carbonica.

Il gruppo di ricerca ha sintetizzato la vitamina C con punti quantici di grafene e ha fabbricato un “nanofilo di rame che potenzia la vitamina C” combinando il materiale sintetizzato con il rame. Questo approccio ha contribuito a stabilizzare la vitamina C attraverso gli effetti di nano-confinamento dei punti quantici di grafene e ha consentito la reversibilità della riduzione dell'ossidazione.

Inoltre, la reazione di ossidoriduzione della vitamina C ha fornito costantemente elettroni e protoni all’anidride carbonica, promuovendo il processo di dimerizzazione e creando il prodotto intermedio monossido di carbonio. Di conseguenza, il catalizzatore appena sviluppato ha mostrato un miglioramento di 2,9 volte nella produzione di etilene rispetto ai catalizzatori convenzionali a base di nanofili di rame.

Inoltre, il gruppo di ricerca ha identificato che la vitamina C confinata nel grafene ottimizza l’integrazione del prodotto intermedio di monossido di carbonio e del catalizzatore di rame attraverso l’analisi spettroscopica Raman in tempo reale e la simulazione al computer. Il gruppo di ricerca ha inoltre identificato il principio di funzionamento del catalizzatore verificando che possono essere rilasciati elettroni e protoni, il che facilita la reazione di riduzione dell'anidride carbonica basata su un forte legame idrogeno.

Il professor Nam del DGIST ha dichiarato:"Questa ricerca ha creato un catalizzatore elettrochimico in grado di produrre etilene su larga scala attraverso la riduzione del biossido di carbonio e ha rivelato un nuovo meccanismo di reazione. Si prevede che questa tecnologia svolgerà un ruolo chiave nel raggiungimento della neutralità del carbonio trasformando il biossido di carbonio - uno dei principali responsabili del riscaldamento globale - in un composto di alto valore."

Il lavoro è pubblicato sulla rivista Nature Communications .