Raggiungere la sostenibilità è oggi una delle sfide più urgenti per l’umanità, e anche una delle più difficili. Per ridurre al minimo il nostro impatto sull’ambiente e iniziare a rimediare ai danni che l’umanità ha già causato, è fondamentale cercare di raggiungere la neutralità delle emissioni di carbonio nel maggior numero possibile di attività economiche. Sfortunatamente, la sintesi di molte sostanze chimiche importanti provoca ancora elevate emissioni di carbonio.
Questo è il caso dell'acetilene (C2 H2 ), un idrocarburo essenziale con una miriade di applicazioni. Questo gas altamente infiammabile viene utilizzato per la saldatura, il taglio industriale, la tempra dei metalli, i trattamenti termici e altri processi industriali. Inoltre, è un importante precursore nella produzione di resine sintetiche e materie plastiche, compreso il PVC. Dalla produzione di C2 H2 richiede combustibili fossili come materia prima, è urgentemente necessario un percorso di sintesi più rispettoso dell'ambiente.
In questo contesto, un gruppo di ricerca basato su una collaborazione tra il mondo accademico e l'industria tra la Doshisha University e Daikin Industries, Ltd., in Giappone, ha sviluppato una nuova e promettente strategia per produrre C2 H2 utilizzando anidride carbonica (CO2 ) e acqua (H2 O) come materie prime.
Il loro ultimo studio, che ha coinvolto la professoressa assistente Yuta Suzuki dell'Harris Science Research Institute e il professor Takuya Goto del Dipartimento di scienza dell'ambiente e modellazione matematica della Graduate School of Science and Engineering, entrambi presso la Doshisha University, e Tomohiro Isogai del Technology and Innovation Center presso Daikin Industries Ltd., è pubblicato in ACS Sustainable Chemistry &Engineering .
L'approccio proposto si basa sulla conversione elettrochimica e chimica della CO2 in C2 H2 utilizzando sali fusi ad alta temperatura, vale a dire il cloruro si scioglie. Un aspetto chiave del processo è che sfrutta i carburi metallici, che sono solidi composti da atomi di carbonio e atomi di metallo, come punto cardine nella conversione.
"Nella nostra strategia, CO2 viene prima convertito in carburi metallici come CaC2 e Li2 C2 , che si depositano su uno degli elettrodi," spiega il Dott. Suzuki. "Poi, questi carburi metallici reagiscono con H2 O, generando C2 H2 gas."
Per ottenere una maggiore efficienza energetica da questo metodo, il team ha dovuto testare varie configurazioni, inclusi diversi materiali degli elettrodi e composizioni di sali fusi. Dopo una serie di esperimenti completi, tra cui la voltammetria ciclica, l'analisi della cristallinità del carbonio e la diffrazione dei raggi X, hanno determinato che un NaCl−KCl−CaCl2 −CaO fuso saturato con ulteriore CaCl2 in una CO2 l'atmosfera ha dato i migliori risultati. Questa particolare fusione ha portato alla formazione selettiva di CaC2 attorno al catodo, che ha ottenuto risultati migliori rispetto alle fusioni contenenti litio.
Questa strategia innovativa offre importanti vantaggi rispetto ai percorsi di sintesi convenzionali per C2 H2 . Innanzitutto gli elettrodi possono essere riutilizzati dopo un semplice trattamento di ricondizionamento poiché la reazione desiderata avviene sui carburi metallici depositati anziché direttamente sulle superfici degli elettrodi. Un altro vantaggio, e forse il più notevole, è l'uso diretto della CO2 come materia prima per produrre una sostanza chimica utile e preziosa dal punto di vista industriale.
"L'approccio proposto rappresenta una tecnologia promettente per realizzare un ciclo sostenibile di risorse ed energia senza fare affidamento sui combustibili fossili", afferma il prof. Goto. "In futuro, questa stessa tecnica potrebbe essere utilizzata come tecnologia per le emissioni negative di carbonio estraendo l'anidride carbonica dall'aria e utilizzandola come materia prima, in particolare in combinazione con processi di cattura diretta dell'aria."
Con un po' di fortuna, ulteriori ricerche su questo entusiasmante metodo porteranno a modi sostenibili sia dal punto di vista economico che ambientale per produrre importanti resine e sostanze chimiche dalla CO2 , aprendo la strada a società sostenibili. In definitiva, questi sforzi ci permetterebbero di vivere in armonia con l'ambiente pur mantenendo molti degli aspetti positivi del nostro stile di vita moderno.
Ulteriori informazioni: Yuta Suzuki et al, Nuovo percorso di sintesi dell'acetilene tramite formazione elettrochimica di carburi metallici da CO2 in cloruri fusi, ACS Sustainable Chemistry &Engineering (2024). DOI:10.1021/acssuschemeng.3c08139
Informazioni sul giornale: Chimica e ingegneria sostenibile ACS
Fornito dall'Università Doshisha
