Il rame - roba da centesimi e bollitori per il tè - è anche uno dei pochi metalli in grado di trasformare l'anidride carbonica in combustibili idrocarburici con relativamente poca energia. Quando modellato in un elettrodo e stimolato con la tensione, il rame agisce come un forte catalizzatore, innescando una reazione elettrochimica con l'anidride carbonica che riduce il gas serra a metano o metanolo.

Vari ricercatori in tutto il mondo hanno studiato il potenziale del rame come mezzo efficiente dal punto di vista energetico per riciclare le emissioni di anidride carbonica nelle centrali elettriche:invece di essere rilasciato nell'atmosfera, l'anidride carbonica verrebbe fatta circolare attraverso un catalizzatore di rame e trasformata in metano, che potrebbe quindi alimentare il resto dell'impianto. Un tale sistema auto-energizzante potrebbe ridurre notevolmente le emissioni di gas serra degli impianti alimentati a carbone ea gas naturale.

Ma il rame è capriccioso:si ossida facilmente, come quando un vecchio penny diventa verde. Di conseguenza, il metallo è instabile, che può rallentare significativamente la sua reazione con l'anidride carbonica e produrre sottoprodotti indesiderati come monossido di carbonio e acido formico.

Ora i ricercatori del MIT hanno trovato una soluzione che potrebbe ridurre ulteriormente l'energia necessaria al rame per convertire l'anidride carbonica, rendendo anche il metallo molto più stabile. Il gruppo ha progettato minuscole nanoparticelle di rame mescolato con oro, che è resistente alla corrosione e all'ossidazione. I ricercatori hanno osservato che solo un tocco d'oro rende il rame molto più stabile. Negli esperimenti, hanno rivestito gli elettrodi con le nanoparticelle ibride e hanno scoperto che era necessaria molta meno energia affinché queste nanoparticelle ingegnerizzate reagissero con l'anidride carbonica, rispetto alle nanoparticelle di rame puro.

Un articolo con i dettagli sui risultati apparirà sulla rivista Comunicazioni chimiche ; la ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation. Il coautore Kimberly Hamad-Schifferli del MIT afferma che i risultati indicano un mezzo potenzialmente efficiente dal punto di vista energetico per ridurre le emissioni di anidride carbonica dalle centrali elettriche.

“Normalmente devi mettere molta energia per convertire l'anidride carbonica in qualcosa di utile, ” dice Hamad-Schifferli, professore associato di ingegneria meccanica e ingegneria biologica. “Abbiamo dimostrato che le nanoparticelle ibride rame-oro sono molto più stabili, e hanno il potenziale per ridurre l'energia necessaria per la reazione.

Andare in piccolo

Il team ha scelto di ingegnerizzare le particelle su scala nanometrica per "ottenere un miglior rapporto qualità-prezzo, Hamad-Schifferli dice:Più piccole sono le particelle, maggiore è la superficie disponibile per l'interazione con le molecole di anidride carbonica. "Potresti avere più siti in cui la CO2 può venire, restare e trasformarsi in qualcos'altro, "dice lei.

Hamad-Schifferli ha lavorato con Yang Shao-Horn, il Gail E. Kendall Professore Associato di Ingegneria Meccanica al MIT, postdoc Zichuan Xu e Erica Lai '14. Il team ha optato per l'oro come metallo adatto da combinare con il rame principalmente per le sue proprietà note. (I ricercatori hanno precedentemente combinato oro e rame su scale molto più grandi, notando che la combinazione ha impedito al rame di ossidarsi.)

Per fare le nanoparticelle, Hamad-Schifferli e i suoi colleghi hanno mescolato sali contenenti oro in una soluzione di sali di rame. Hanno riscaldato la soluzione, creando nanoparticelle che fondevano il rame con l'oro. Xu ha quindi sottoposto le nanoparticelle a una serie di reazioni, trasformando la soluzione in una polvere che è stata utilizzata per rivestire un piccolo elettrodo.

Per testare la reattività delle nanoparticelle, Xu mise l'elettrodo in un becher di soluzione e vi fece gorgogliare anidride carbonica. Ha applicato una piccola tensione all'elettrodo, e misurato la corrente risultante nella soluzione. Il team ha ragionato sul fatto che la corrente risultante avrebbe indicato l'efficienza con cui le nanoparticelle stavano reagendo con il gas:se le molecole di CO2 reagissero con i siti sull'elettrodo - e poi si rilasciassero per consentire ad altre molecole di CO2 di reagire con gli stessi siti - la corrente apparirebbe come è stato raggiunto un certo potenziale, indicando un "turnover" regolare. Se le molecole monopolizzavano i siti sull'elettrodo, la reazione rallenterebbe, ritardare la comparsa della corrente allo stesso potenziale.

Il team alla fine ha scoperto che il potenziale applicato per raggiungere una corrente costante era molto più piccolo per le nanoparticelle ibride rame-oro rispetto al rame e oro puri, un'indicazione che la quantità di energia richiesta per eseguire la reazione era molto inferiore a quella richiesta quando si utilizzano le nanoparticelle fatto di rame puro.

Andando avanti, Hamad-Schifferli dice che spera di guardare più da vicino la struttura delle nanoparticelle di oro-rame per trovare una configurazione ottimale per convertire l'anidride carbonica. Finora, il team ha dimostrato l'efficacia delle nanoparticelle composte da un terzo di oro e due terzi di rame, così come due terzi d'oro e un terzo di rame.

Hamad-Schifferli riconosce che rivestire elettrodi su scala industriale in parte con oro può diventare costoso. Però, lei dice, il risparmio energetico e il potenziale di riutilizzo di tali elettrodi possono bilanciare i costi iniziali.

“È un compromesso, “dice Hamad-Schifferli. “L'oro è ovviamente più costoso del rame. Ma se ti aiuta a ottenere un prodotto più attraente come il metano invece dell'anidride carbonica, e con un minor consumo energetico, allora potrebbe valerne la pena. Se potessi riutilizzarlo più e più volte, e la durata è maggiore a causa dell'oro, questo è un segno di spunta nella colonna più."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.