Se i ricercatori riuscissero a trovare un modo per convertire chimicamente l'anidride carbonica in combustibili o altri prodotti, potrebbero intaccare notevolmente le emissioni di gas serra. Ma molti di questi processi che sembravano promettenti in laboratorio non hanno funzionato come previsto in formati su larga scala che sarebbero adatti all'uso con una centrale elettrica o altre fonti di emissioni.

Ora, i ricercatori del MIT hanno identificato, quantificato e modellato una delle ragioni principali delle scarse prestazioni in tali sistemi di conversione. Il colpevole risulta essere un esaurimento locale del gas di anidride carbonica proprio accanto agli elettrodi utilizzati per catalizzare la conversione. Il problema può essere alleviato, ha scoperto il team, semplicemente spegnendo e riaccendendo la corrente a intervalli specifici, consentendo al gas di accumularsi di nuovo ai livelli necessari accanto all'elettrodo.

I risultati, che potrebbero stimolare il progresso nello sviluppo di una varietà di materiali e progetti per sistemi di conversione elettrochimica dell'anidride carbonica, sono stati pubblicati oggi sulla rivista Langmuir , in un articolo del postdoc del MIT Álvaro Moreno Soto, del dottorando Jack Lake e del professore di ingegneria meccanica Kripa Varanasi.

"La mitigazione dell'anidride carbonica è, credo, una delle sfide importanti del nostro tempo", afferma Varanasi. Mentre gran parte della ricerca nell'area si è concentrata sulla cattura e sequestro del carbonio, in cui il gas viene pompato in una sorta di serbatoio sotterraneo profondo o convertito in un solido inerte come il calcare, un'altra strada promettente è stata convertire il gas in altro carbonio composti come metano o etanolo, da utilizzare come combustibile, o etilene, che funge da precursore di polimeri utili.

Esistono diversi modi per eseguire tali conversioni, inclusi processi elettrochimici, termocatalitici, fototermici o fotochimici. "Ognuno di questi ha problemi o sfide", afferma Varanasi. I processi termici richiedono temperature molto elevate e non producono prodotti chimici di valore molto elevato, il che è una sfida anche con i processi attivati ​​dalla luce, dice. "L'efficienza è sempre in gioco, sempre un problema."

Il team si è concentrato sugli approcci elettrochimici, con l'obiettivo di ottenere "prodotti a C più elevato", composti che contengono più atomi di carbonio e tendono ad essere combustibili di valore più elevato a causa della loro energia per peso o volume. In queste reazioni, la sfida più grande è stata frenare le reazioni concorrenti che possono aver luogo contemporaneamente, in particolare la scissione delle molecole d'acqua in ossigeno e idrogeno.

Le reazioni avvengono quando un flusso di elettrolita liquido con l'anidride carbonica disciolta in esso passa su una superficie catalitica metallica che è caricata elettricamente. Ma quando l'anidride carbonica viene convertita, lascia una regione nel flusso di elettroliti in cui è stata sostanzialmente esaurita, e quindi la reazione all'interno di questa zona esaurita si trasforma invece verso la scissione dell'acqua. Questa reazione indesiderata consuma energia e riduce notevolmente l'efficienza complessiva del processo di conversione, hanno scoperto i ricercatori.

"C'è un certo numero di gruppi che lavorano su questo, e un certo numero di catalizzatori che sono là fuori", dice Varanasi. "In tutti questi, penso che la coevoluzione dell'idrogeno diventi un collo di bottiglia."

Un modo per contrastare questo esaurimento, hanno scoperto, può essere ottenuto con un sistema pulsato:un ciclo in cui si limita semplicemente a spegnere la tensione, arrestare la reazione e dare all'anidride carbonica il tempo di diffondersi nuovamente nella zona esaurita e raggiungere nuovamente livelli utilizzabili, e quindi riprendendo la reazione.

Spesso, affermano i ricercatori, i gruppi hanno trovato materiali catalizzatori promettenti ma non hanno eseguito i loro test di laboratorio abbastanza a lungo per osservare questi effetti di esaurimento, e quindi sono stati frustrati nel tentativo di ampliare i loro sistemi. Inoltre, la concentrazione di anidride carbonica accanto al catalizzatore determina i prodotti che vengono realizzati. Quindi, l'esaurimento può anche cambiare il mix di prodotti che vengono prodotti e può rendere il processo inaffidabile. "Se vuoi essere in grado di realizzare un sistema che funzioni su scala industriale, devi essere in grado di far funzionare le cose per un lungo periodo di tempo", dice Varanasi, "e non devi avere questo tipo di effetti che riducono il efficienza o affidabilità del processo."

Il team ha studiato tre diversi materiali catalizzatori, incluso il rame, e "ci siamo davvero concentrati sull'assicurarci di comprendere e quantificare gli effetti di esaurimento", afferma Lake. Nel processo sono stati in grado di sviluppare un modo semplice e affidabile per monitorare l'efficienza del processo di conversione, misurando i livelli di pH variabili, una misura di acidità, nell'elettrolita del sistema.

Nei loro test, hanno utilizzato strumenti analitici più sofisticati per caratterizzare i prodotti di reazione, inclusa la gascromatografia per l'analisi dei prodotti gassosi e la caratterizzazione della risonanza magnetica nucleare per i prodotti liquidi del sistema. Ma la loro analisi ha mostrato che la semplice misurazione del pH dell'elettrolita vicino all'elettrodo durante il funzionamento potrebbe fornire una misura sufficiente dell'efficienza della reazione mentre progrediva.

Questa capacità di monitorare facilmente la reazione in tempo reale potrebbe portare alla fine a un sistema ottimizzato con metodi di apprendimento automatico, controllando la velocità di produzione dei composti desiderati attraverso un feedback continuo, afferma Moreno Soto.

Ora che il processo è stato compreso e quantificato, potrebbero essere sviluppati altri approcci per mitigare l'esaurimento dell'anidride carbonica, affermano i ricercatori, e potrebbero essere facilmente testati utilizzando i loro metodi.

Questo lavoro mostra, dice Lake, che "non importa quale sia il materiale del tuo catalizzatore" in un tale sistema elettrocatalitico, "sarai interessato da questo problema". E ora, utilizzando il modello che hanno sviluppato, è possibile determinare esattamente quale tipo di finestra temporale deve essere valutata per avere un'idea precisa dell'efficienza complessiva del materiale e quale tipo di operazioni del sistema potrebbero massimizzarne l'efficacia.