Un elemento chimico così sorprendente da aver preso il nome da una dea mostra un livello di reattività "Riccioli d'oro", né troppo né troppo poco, che lo rende un forte candidato come strumento per la rimozione del carbonio.

L'elemento è il vanadio e una ricerca condotta dagli scienziati dell'Oregon State University, pubblicata su Chemical Science , ha dimostrato la capacità delle molecole di perossido di vanadio di reagire e legarsi all'anidride carbonica:un passo importante verso tecnologie migliorate per la rimozione dell'anidride carbonica dall'atmosfera.

Lo studio fa parte di uno sforzo federale da 24 milioni di dollari per sviluppare nuovi metodi per la cattura diretta dall'aria, o DAC, del biossido di carbonio, un gas serra prodotto dalla combustione di combustibili fossili e associato al cambiamento climatico.

Gli impianti che filtrano il carbonio dall’aria hanno cominciato a sorgere in tutto il mondo, ma sono ancora agli inizi. Le tecnologie per mitigare l’anidride carbonica nel punto di ingresso nell’atmosfera, come nelle centrali elettriche, sono più sviluppate. Entrambi i tipi di cattura del carbonio saranno probabilmente necessari se si vuole che la Terra eviti gli esiti peggiori del cambiamento climatico, dicono gli scienziati.

Nel 2021 May Nyman dell'Oregon State, professore di chimica di Terence Bradshaw al College of Science, è stato scelto come leader di uno dei nove progetti di cattura diretta dell'aria finanziati dal Dipartimento dell'Energia. Il suo team sta esplorando il modo in cui alcuni complessi di metalli di transizione possono reagire con l'aria per rimuovere l'anidride carbonica e convertirla in un carbonato metallico, in modo simile a quello che si trova in molti minerali naturali.

I metalli di transizione si trovano vicino al centro della tavola periodica e il loro nome deriva dalla transizione degli elettroni da stati di bassa energia a stati di alta energia e viceversa, dando origine a colori distintivi. Per questo studio, gli scienziati si sono concentrati sul vanadio, dal nome Vanadis, l'antico nome norvegese della dea scandinava dell'amore che si dice fosse così bello che le sue lacrime si trasformarono in oro.

Nyman spiega che l'anidride carbonica esiste nell'atmosfera con una densità di 400 parti per milione. Ciò significa che per ogni milione di molecole d'aria, 400 sono costituite da anidride carbonica, ovvero lo 0,04%.

"Una sfida con la cattura diretta dell'aria è trovare molecole o materiali che siano sufficientemente selettivi, o altre reazioni con molecole d'aria più abbondanti, come le reazioni con l'acqua, supereranno la reazione con CO₂ ", ha detto Nyman. "Il nostro team ha sintetizzato una serie di molecole che contengono tre parti importanti per rimuovere l'anidride carbonica dall'atmosfera e lavorano insieme."

Una parte era il vanadio, così chiamato per la gamma di bellissimi colori che può esibire, e un'altra parte era il perossido, che si legava al vanadio. Poiché una molecola di perossido di vanadio è caricata negativamente, aveva bisogno di cationi alcalini per il bilanciamento della carica, ha detto Nyman, e i ricercatori hanno utilizzato cationi alcalini di potassio, rubidio e cesio per questo studio.

Ha aggiunto che i collaboratori hanno anche provato a sostituire il vanadio con altri metalli dello stesso vicinato nella tavola periodica.

"Tungsteno, niobio e tantalio non erano altrettanto efficaci in questa forma chimica", ha detto Nyman. "D'altra parte, il molibdeno era così reattivo che a volte esplodeva."

Inoltre, gli scienziati hanno sostituito gli alcali con ammonio e tetrametilammonio, il primo dei quali è leggermente acido. Quei composti non hanno reagito affatto, un enigma che i ricercatori stanno ancora cercando di capire.

"E quando abbiamo rimosso il perossido, ancora una volta, non c'era molta reattività", ha detto Nyman. "In questo senso, il perossido di vanadio è un bellissimo ricciolo d'oro viola che diventa dorato se esposto all'aria e lega una molecola di anidride carbonica."

Nota che un'altra caratteristica preziosa del vanadio è che consente una temperatura di rilascio relativamente bassa di circa 200°C per l'anidride carbonica catturata.

"Questo è paragonato ai quasi 700°C quando è legato al potassio, al litio o al sodio, altri metalli utilizzati per la cattura del carbonio", ha affermato. "Essere in grado di rilasciare nuovamente la CO₂ catturata consente il riutilizzo dei materiali per la cattura del carbonio e minore è la temperatura richiesta per farlo, minore è l'energia necessaria e minore è il costo. Ci sono alcune idee molto intelligenti sul riutilizzo del carbonio catturato già in fase di implementazione, ad esempio convogliando la CO₂ catturata in una serra per coltivare piante."

Altri autori dell'articolo dell'Oregon State includono Tim Zuehlsdorff, assistente professore di chimica teorico/fisica, e il ricercatore post-dottorato Eduard Garrido.

"Sono anche molto orgoglioso del duro lavoro degli studenti laureati nel mio laboratorio, Zhiwei Mao e Karlie Bach, e dello studente universitario Taylor Linsday", ha detto Nyman. "Questa è un'area completamente nuova per il mio laboratorio, così come per Tim Zuehlsdorff, che ha supervisionato lo studente di dottorato Jacob Hirschi sugli studi computazionali per spiegare i meccanismi di reazione. L'avvio di una nuova area di studio comporta molte incognite."

Ulteriori informazioni: Eduard Garrido Ribó et al, Implementazione dei perossidi di vanadio come materiali per la cattura diretta del carbonio nell'aria, Scienze chimiche (2023). DOI:10.1039/D3SC05381D

Fornito da Oregon State University