Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e dell'Università della Carolina del Nord Chapel Hill (UNC) hanno dimostrato la conversione selettiva del biossido di carbonio (CO2 ) in metanolo utilizzando una strategia di reazione a cascata. Il processo in due parti è alimentato dalla luce solare, avviene a temperatura e pressione ambiente e impiega un reagente organico riciclabile simile a un catalizzatore presente nella fotosintesi naturale.
"Il nostro approccio è un passo importante verso la ricerca di un modo efficiente per convertire la CO2 , un potente gas serra che rappresenta una sfida significativa per l'umanità, trasformandolo in un combustibile liquido facilmente conservabile e trasportabile", ha affermato Javier Concepcion, chimico senior del Brookhaven Lab, uno degli autori principali dello studio.
La ricerca è stata condotta nell’ambito del Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels (CHASE), un hub di innovazione energetica con sede presso l’UNC. Lo studio è pubblicato come articolo di copertina nel Journal of the American Chemical Society .
La conversione della temperatura ambiente di CO2 verso i combustibili liquidi è stata una ricerca lunga decenni. Tali strategie potrebbero aiutare a realizzare cicli energetici a zero emissioni di carbonio, in particolare se la conversione è alimentata dalla luce solare. Il carbonio emesso come CO2 bruciando molecole di carburante a carbonio singolo, come il metanolo, potrebbero essenzialmente essere riciclate per produrre nuovo carburante senza aggiungere nuovo carbonio all'atmosfera.
Metanolo (CH3 OH) è un obiettivo particolarmente attraente perché è un liquido che può essere facilmente trasportato e immagazzinato. Oltre alla sua utilità come combustibile, il metanolo funge da materia prima fondamentale nell’industria chimica per produrre molecole più complesse. Inoltre, perché il metanolo contiene un solo atomo di carbonio, come la CO2 , elude la necessità di creare legami carbonio-carbonio, che richiedono processi ad alta intensità energetica.
Tuttavia, i passaggi chiave coinvolti nelle reazioni necessarie per generare in modo selettivo ed efficiente combustibili liquidi solari come il metanolo rimangono poco compresi.
"Conversione di CO2 al metanolo è molto difficile da ottenere in un unico passaggio. Energeticamente è come scalare una montagna molto alta", ha detto Concepcion. "Anche se la valle dall'altra parte è a un'altitudine inferiore, arrivarci richiede un grande apporto di energia."
Invece di provare ad affrontare la sfida con un'unica "salita", il team Brookhaven/UNC ha utilizzato una strategia a cascata (più fasi) che attraversa diversi passaggi intermedi più facili da raggiungere.
"Immagina di scalare diverse montagne più piccole invece di una grande, e di farlo attraverso diverse valli", ha detto Concepion.
Le valli rappresentano gli intermedi della reazione. Ma anche raggiungere quelle valli può essere difficile, poiché richiede lo scambio graduale di elettroni e protoni tra varie molecole. Per abbassare il fabbisogno energetico di questi scambi, i chimici utilizzano molecole chiamate catalizzatori.
"I catalizzatori consentono di raggiungere la valle successiva attraverso 'tunnel' che richiedono meno energia rispetto alla scalata della montagna", ha affermato Concepcion.
Per questo studio, il team ha esplorato le reazioni che impiegano una classe di catalizzatori chiamati diidrobenzimidazoli. Questi sono idruri organici, molecole che hanno due elettroni in più e un protone da "donare" ad altre molecole. Sono poco costosi, le loro proprietà possono essere facilmente manipolate e studi precedenti hanno dimostrato che possono essere riciclati, un requisito per un processo catalitico.
Queste molecole sono simili per struttura e funzione ai cofattori organici responsabili del trasporto e della fornitura di energia sotto forma di elettroni e protoni durante la fotosintesi naturale.
"La fotosintesi stessa è una cascata di numerose fasi di reazione che convertono la CO2 atmosferica , acqua ed energia luminosa in energia chimica sotto forma di carboidrati, vale a dire zuccheri, che possono successivamente essere metabolizzati per alimentare l'attività degli organismi viventi. Il nostro approccio che prevede l'utilizzo di idruri organici biomimetici per catalizzare il metanolo come combustibile liquido può quindi essere visto come un approccio artificiale alla fotosintesi", ha affermato Renato Sampaio, coautore principale dell'UNC.
Nello studio, i chimici hanno interrotto la conversione di CO2 in metanolo in due fasi:riduzione fotochimica della CO2 al monossido di carbonio (CO), seguiti da trasferimenti sequenziali di idruro dai diidrobenzimidazoli per convertire la CO in metanolo.
Il loro lavoro descrive i dettagli della seconda fase, poiché la reazione procede attraverso una serie di intermedi, tra cui un monossido di carbonio legato al rutenio (Ru-CO 2+ ), un formile di rutenio (Ru-CHO + ), un idrossimetile di rutenio (Ru-CH2 Oh + ) gruppo e, infine, rilascio di metanolo indotto dalla luce.
Mentre i primi due passaggi di questo schema sono "reazioni oscure", il terzo passaggio che porta alla formazione di metanolo libero viene avviato dall'assorbimento della luce da parte dell'idrossimetile di rutenio (Ru-CH2 Oh + ) complesso. Il meccanismo proposto con cui ciò avviene è attraverso un trasferimento di elettroni in stato eccitato tra Ru-CH2 Oh + e una molecola di idruro organico seguita rapidamente da un trasferimento di protoni macinati che determina la generazione di metanolo in soluzione.
"La natura selettiva e 'one-pot' di questa reazione si traduce nella generazione di concentrazioni millimolari (mM) di metanolo - lo stesso intervallo di concentrazioni dei materiali di partenza - ed evita complicazioni che hanno afflitto i precedenti tentativi di utilizzare catalizzatori inorganici per questi reazioni", ha affermato il coautore dell'UNC e direttore del CHASE Gerald Meyer. "Questo lavoro può quindi essere visto come un passo importante nell'uso di catalizzatori di idruri organici rinnovabili nella ricerca decennale per la produzione catalitica di metanolo a temperatura ambiente dalla CO2 ."
Ulteriori informazioni: Andressa V. Müller et al, Riduzione di CO in metanolo con idruri organici riciclabili, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c14605
Fornito dal Brookhaven National Laboratory
