CO2 trasformata in etilene con la luce

Un nuovo sistema sviluppato presso l’Università del Michigan ha prodotto in modo efficiente etilene dalla CO2, aprendo la strada alla futura produzione di carburante sostenibile.

Rivoluzione verde: da CO2 a etilene

La capacità di concatenare atomi di carbonio è un passo cruciale verso il riutilizzo della CO2 per creare combustibili sostenibili. Ora, i ricercatori dell’Università del Michigan hanno sviluppato un sistema di fotosintesi artificiale che può legarne due in idrocarburi con prestazioni senza precedenti.

Questo sistema rivoluzionario produce etilene con efficienza, resa e longevità ben superiori ad altri sistemi di fotosintesi artificiale. Poiché l’etilene è un idrocarburo tipicamente utilizzato nelle materie plastiche, l’applicazione diretta del sistema sarebbe quella di raccogliere l’anidride carbonica che altrimenti verrebbe rilasciata nell’atmosfera per produrre materie plastiche.

Fotosintesi artificiale: etilene da CO2 in modo efficiente

Zetian Mi, professore di ingegneria elettrica e informatica presso l’Università del Michigan e autore corrispondente dello studio pubblicato su Nature Synthesis, ha dichiarato: “Le prestazioni, o l’attività e la stabilità, sono circa cinque o sei volte migliori di quanto viene tipicamente riportato per l’energia solare o per la riduzione dell’anidride carbonica in etilene guidata dalla luce”.

Ed ha aggiunto: “L’etilene è in realtà il composto organico più prodotto al mondo. Ma è tipicamente prodotto con petrolio e gas, ad alte temperature e pressioni, il tutto emettendo CO2.”

L’obiettivo a lungo termine è di legare insieme catene più lunghe di atomi di carbonio e idrogeno per produrre combustibili liquidi che possano essere facilmente trasportati. Parte della sfida è rimuovere tutto l’ossigeno dalla CO2 come fonte di carbonio e dall’acqua, H2O, come fonte di idrogeno.

Il dispositivo assorbe la luce attraverso due tipi di semiconduttori: una foresta di nanofili di nitruro di gallio, ciascuno largo appena 50 nanometri (poche centinaia di atomi), e la base di silicio su cui sono stati coltivati. La reazione che trasforma acqua e anidride carbonica in etilene avviene su cluster di rame, ciascuno con circa 30 atomi, che punteggiano i nanofili.

Da CO2 a etilene: un passo avanti verso l’energia pulita

I nanofili vengono immersi in acqua arricchita di anidride carbonica ed esposti a una luce equivalente a quella del Sole a mezzogiorno. L’energia della luce libera elettroni che scindono l’acqua vicino alla superficie dei nanofili di nitruro di gallio. Questo crea idrogeno per alimentare la reazione dell’etilene, ma anche ossigeno che il nitruro di gallio assorbe per diventare ossido di nitruro di gallio.

Il rame è bravo ad aggrapparsi all’idrogeno e ad afferrare il carbonio dell’anidride carbonica, trasformandolo in monossido di carbonio. Con l’idrogeno nel mix e un’iniezione di energia dalla luce, il team ritiene che due molecole di monossido di carbonio si leghino insieme all’idrogeno. Si ritiene  anche che la reazione si completi all’interfaccia tra il rame e l’ossido di nitruro di gallio, dove i due atomi di ossigeno vengono strappati via e sostituiti con tre atomi di idrogeno dalla scissione dell’acqua.

Il team ha scoperto che il 61% degli elettroni liberi generati dai semiconduttori con la luce contribuiva alla reazione per produrre etilene. Mentre un catalizzatore diverso basato su argento e rame raggiungeva un’efficienza simile di circa il 50%, doveva funzionare in un fluido a base di carbonio e poteva funzionare solo per poche ore prima di degradarsi.

Al contrario, il dispositivo del team del Michigan ha funzionato per 116 ore senza rallentare e il team ha fatto funzionare dispositivi simili per 3.000 ore.

Questo è dovuto in parte alla relazione sinergica tra il nitruro di gallio e il processo di scissione dell’acqua: l’aggiunta di ossigeno migliora il catalizzatore e consente un processo di auto-guarigione. I limiti della longevità del dispositivo saranno esplorati in lavori futuri. Infine, il dispositivo ha prodotto etilene a una velocità più di quattro volte superiore rispetto ai sistemi concorrenti più vicini.

Bingxing Zhang, ricercatore associato presso l’UM in ingegneria elettrica e informatica e primo autore del documento, ha affermato: “In futuro, vogliamo produrre altri composti multicarbonici come il propanolo con tre atomi di carbonio o prodotti liquidi”.

L’obiettivo finale di Mi sono i combustibili liquidi, che potrebbero rendere sostenibili molte tecnologie di trasporto esistenti.