Questo schema mostra l'elettrolizzatore sviluppato alla Rice University per ridurre l'anidride carbonica, un gas serra, a preziosi combustibili. A sinistra c'è un catalizzatore che seleziona l'anidride carbonica e la riduce a un formiato caricato negativamente, che viene trascinato attraverso uno strato di diffusione del gas (GDL) e la membrana a scambio anionico (AEM) nell'elettrolita centrale. A destra, un catalizzatore della reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) genera protoni positivi dall'acqua e li invia attraverso la membrana a scambio cationico (CEM). Gli ioni si ricombinano in acido formico o altri prodotti che vengono eliminati dal sistema da acqua e gas deionizzati (DI). Credito:Chuan Xia e Demin Liu/Rice University
Un comune gas serra potrebbe essere riproposto in modo efficiente ed ecologico con un elettrolizzatore che utilizza elettricità rinnovabile per produrre combustibili liquidi puri.
Il reattore catalitico sviluppato dal laboratorio della Rice University dell'ingegnere chimico e biomolecolare Haotian Wang utilizza l'anidride carbonica come materia prima e, nel suo ultimo prototipo, produce acido formico altamente purificato e ad alte concentrazioni.
L'acido formico prodotto dai tradizionali dispositivi ad anidride carbonica richiede fasi di purificazione costose e ad alta intensità energetica, ha detto Wang. La produzione diretta di soluzioni di acido formico puro aiuterà a promuovere le tecnologie commerciali di conversione dell'anidride carbonica.
Il metodo è dettagliato in Energia della natura .
Wang, che si è unito alla Brown School of Engineering di Rice a gennaio, e il suo gruppo perseguono tecnologie che trasformano i gas serra in prodotti utili. Nei test, il nuovo elettrocatalizzatore ha raggiunto un'efficienza di conversione energetica di circa il 42%. Ciò significa che quasi la metà dell'energia elettrica può essere immagazzinata nell'acido formico come combustibile liquido.
"L'acido formico è un vettore energetico, "Ha detto Wang. "È un combustibile a celle a combustibile che può generare elettricità ed emettere anidride carbonica, che puoi prendere e riciclare di nuovo.
"È anche fondamentale nell'industria dell'ingegneria chimica come materia prima per altri prodotti chimici, e un materiale di stoccaggio per l'idrogeno che può contenere quasi 1, 000 volte l'energia dello stesso volume di idrogeno gassoso, che è difficile da comprimere, " ha detto. "Questa è attualmente una grande sfida per le auto a celle a combustibile a idrogeno".
L'ingegnere della Rice University Haotian Wang regola il reattore di elettrocatalisi costruito nel suo laboratorio per riciclare l'anidride carbonica per produrre combustibile liquido. Il reattore è progettato per essere un modo efficiente e redditizio per riutilizzare il gas serra e tenerlo fuori dall'atmosfera. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Due progressi hanno reso possibile il nuovo dispositivo, ha detto l'autore principale e ricercatore postdottorato di Rice Chuan Xia. Il primo è stato il suo sviluppo di un robusto, catalizzatore di bismuto bidimensionale e il secondo un elettrolita allo stato solido che elimina la necessità di sale come parte della reazione.
"Il bismuto è un atomo molto pesante, rispetto ai metalli di transizione come il rame, ferro o cobalto, " Wang ha detto. "La sua mobilità è molto più bassa, particolarmente in condizioni di reazione. In modo che stabilizza il catalizzatore." Ha notato che il reattore è strutturato per impedire all'acqua di entrare in contatto con il catalizzatore, che aiuta anche a preservarlo.
Xia può produrre i nanomateriali alla rinfusa. "Attualmente, le persone producono catalizzatori sulla scala del milligrammo o del grammo, " ha detto. "Abbiamo sviluppato un modo per produrli su scala chilogrammo. Ciò renderà il nostro processo più facile da scalare per l'industria".
L'elettrolita solido a base di polimeri è rivestito con leganti di acido solfonico per condurre cariche positive o gruppi funzionali amminici per condurre ioni negativi. "Di solito le persone riducono l'anidride carbonica in un elettrolita liquido tradizionale come l'acqua salata, " Wang ha detto. "Vuoi che l'elettricità sia condotta, ma l'elettrolita dell'acqua pura è troppo resistente. È necessario aggiungere sali come cloruro di sodio o bicarbonato di potassio in modo che gli ioni possano muoversi liberamente nell'acqua.
"Ma quando generi acido formico in quel modo, si mescola ai sali, " ha detto. "Per la maggior parte delle applicazioni è necessario rimuovere i sali dal prodotto finale, che richiede molta energia e costi. Quindi abbiamo impiegato elettroliti solidi che conducono protoni e possono essere costituiti da polimeri insolubili o composti inorganici, eliminando la necessità di sali."
Un reattore di elettrocatalisi costruito presso la Rice University ricicla l'anidride carbonica per produrre soluzioni di combustibile liquido puro utilizzando l'elettricità. Gli scienziati dietro l'invenzione sperano che diventi un modo efficiente e redditizio per riutilizzare il gas serra e tenerlo fuori dall'atmosfera. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
La velocità con cui l'acqua scorre attraverso la camera del prodotto determina la concentrazione della soluzione. Un rendimento lento con l'attuale configurazione produce una soluzione che è quasi il 30% di acido formico in peso, mentre i flussi più veloci consentono di personalizzare la concentrazione. I ricercatori si aspettano di ottenere concentrazioni più elevate dai reattori di nuova generazione che accettano il flusso di gas per far emergere vapori di acido formico puro.
Il laboratorio Rice ha collaborato con il Brookhaven National Laboratory per visualizzare il processo in corso. "Spettroscopia di assorbimento dei raggi X, una potente tecnica disponibile presso la linea di luce Inner Shell Spectroscopy (ISS) presso la National Synchrotron Light Source II del Brookhaven Lab, ci permette di sondare la struttura elettronica degli elettrocatalizzatori in operando, cioè durante il processo chimico vero e proprio, ", ha affermato il co-autore Eli Stavitski, scienziato capo della linea di luce dell'ISS. "In questo lavoro, abbiamo seguito gli stati di ossidazione del bismuto a diversi potenziali e siamo stati in grado di identificare lo stato attivo del catalizzatore durante la riduzione dell'anidride carbonica".
Con il suo reattore attuale, il laboratorio ha generato acido formico ininterrottamente per 100 ore con una degradazione trascurabile dei componenti del reattore, compresi i catalizzatori su scala nanometrica. Wang ha suggerito che il reattore potrebbe essere facilmente riorganizzato per produrre prodotti di valore più elevato come l'acido acetico, combustibili etanolo o propanolo.
"Il quadro generale è che la riduzione dell'anidride carbonica è molto importante per i suoi effetti sul riscaldamento globale e per la sintesi chimica verde, " Wang ha detto. "Se l'elettricità proviene da fonti rinnovabili come il sole o il vento, possiamo creare un ciclo che trasforma l'anidride carbonica in qualcosa di importante senza emetterne di più".
