Il riscaldamento globale continua a rappresentare una minaccia per la società umana e i sistemi ecologici, e l'anidride carbonica rappresenta la percentuale maggiore dei gas serra che determinano il riscaldamento climatico.
Per combattere il cambiamento climatico e procedere verso l'obiettivo della neutralità del carbonio, i ricercatori dell'Università Politecnica di Hong Kong (PolyU) hanno sviluppato un'anidride carbonica (CO2) durevole, altamente selettiva ed efficiente dal punto di vista energetico. ) sistema di elettroriduzione in grado di convertire la CO2 in etilene per scopi industriali per fornire una soluzione efficace per ridurre la CO2 emissioni.
La ricerca è stata pubblicata su Nature Energy e ha vinto una medaglia d'oro alla 48a Mostra Internazionale delle Invenzioni di Ginevra in Svizzera.
Etilene (C2 H4 ) è una delle sostanze chimiche più richieste a livello globale e viene utilizzata principalmente nella produzione di polimeri come il polietilene, che a sua volta può essere utilizzato per produrre plastica e fibre chimiche comunemente utilizzate nella vita quotidiana. Tuttavia, è ancora ottenuto principalmente da fonti petrolchimiche e il processo di produzione comporta la creazione di un'impronta di carbonio molto significativa.
Guidato dal Prof. Daniel Lau, professore ordinario di Nanomateriali e direttore del Dipartimento di Fisica Applicata, il gruppo di ricerca ha adottato il metodo elettrocatalitico della CO2 riduzione:utilizzando l'elettricità verde per convertire l'anidride carbonica in etilene, fornendo un'alternativa più rispettosa dell'ambiente e una produzione stabile di etilene.
Il team di ricerca sta lavorando per promuovere questa tecnologia emergente per avvicinarla alla produzione di massa, chiudendo il ciclo del carbonio e raggiungendo infine la neutralità del carbonio.
L'innovazione del Prof. Lau è quella di rinunciare all'elettrolita di metallo alcalino e utilizzare acqua pura come anolita privo di metalli per prevenire la formazione di carbonato e la deposizione di sale. Il team di ricerca chiama il loro progetto sistema APMA, dove A sta per membrana a scambio anionico (AEM), P rappresenta la membrana a scambio protonico (PEM) e MA indica il risultante assemblaggio della membrana.
Quando è stata costruita una pila di celle priva di metalli alcalini contenente l'APMA e un elettrocatalizzatore in rame, è stato prodotto etilene con un'elevata specificità del 50%. È stato inoltre in grado di funzionare per oltre 1.000 ore a una corrente di livello industriale di 10 A:un aumento molto significativo della durata rispetto ai sistemi esistenti, il che significa che il sistema può essere facilmente espanso su scala industriale.
Ulteriori test hanno dimostrato che la formazione di carbonati e sali è stata soppressa, mentre non si è verificata alcuna perdita di CO2 o elettrolita. Questo è fondamentale, poiché le celle precedenti che utilizzavano membrane bipolari anziché APMA soffrivano di perdita di elettroliti a causa della diffusione di ioni di metalli alcalini dall'anolita. Anche la formazione di idrogeno in competizione con l'etilene, un altro problema che affliggeva i sistemi precedenti che utilizzavano ambienti catodici acidi, è stata ridotta al minimo.
Un'altra caratteristica fondamentale del processo è l'elettrocatalizzatore specializzato. Il rame viene utilizzato per catalizzare un’ampia gamma di reazioni nell’industria chimica. Tuttavia, il catalizzatore specifico utilizzato dal gruppo di ricerca ha sfruttato alcune caratteristiche distintive.
I milioni di sfere di rame su scala nanometrica avevano superfici riccamente strutturate, con gradini, difetti di impilamento e bordi dei grani. Questi "difetti", relativi a una struttura metallica ideale, fornivano un ambiente favorevole affinché la reazione potesse procedere.
Il Prof. Lau ha affermato:"Lavoreremo su ulteriori miglioramenti per migliorare la selettività del prodotto e cercare opportunità di collaborazione con l'industria. È chiaro che questo design della cella APMA è alla base di una transizione verso una produzione ecologica di etilene e altre sostanze chimiche preziose e può contribuire a ridurre le emissioni di carbonio e raggiungere l'obiettivo della neutralità del carbonio."
Ulteriori informazioni: Xiaojie She et al, Riduzione elettrocatalitica della CO2 in etilene alimentato ad acqua pura per oltre 1.000 ore di stabilità a 10 A, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-023-01415-4
Informazioni sul giornale: Energia della Natura
Fornito dall'Università Politecnica di Hong Kong
