Haotian Wang, del Rowland Institute di Harvardcon, e il suo gruppo hanno sviluppato un sistema che utilizza energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili per ridurre la CO2 in CO (monossido di carbonio), prodotto chiave in numerosi processi industriali.
Il sistema è descritto in un articolo apparso su Joule, rivista recentemente lanciata da Cell press. Wang ha anche rilasciato delle dichiarazioni, affermando che sarebbe promettente collegare i dispositivi catalitici a centrali elettriche a carbone o ad altra industria che generi grandi quantità di CO2 per pomparla nelle celle che, con l’energia elettrica a impatto zero, consentirà di produrre sostanze chimiche indispensabili in modo sostenibile arrivando anche a chiudere il ciclo della CO2 stessa. Il sistema è stato descritto per la prima volta in un articolo pubblicato nel 2017 su Chem.
Inizialmente, il sistema aveva le dimensioni di un cellulare e si basava su due camere piene di elettroliti, ognuna delle camere conteneva un elettrodo. Il nuovo sistema è più economico e utilizza elevate concentrazioni di gas CO2 e vapore acqueo per funzionare in modo più efficiente. Wang afferma che con una una cella da 10 per 10 centimetri si possono produrre fino a quattro litri di CO all’ora.
Il nuovo sistema affronta le due principali sfide – costo e scalabilità – che sono state viste come un limite all’approccio iniziale, cosi spiega Wan: “In quel precedente lavoro, avevamo scoperto i singoli catalizzatori di atomi di nichel che sono molto selettivi per ridurre la CO2 in CO… ma una delle sfide che abbiamo dovuto affrontare era che i materiali erano costosi da sintetizzare”.
“Il supporto che stavamo usando per ancorare singoli atomi di nichel era basato sul grafene, il che rendeva molto difficile il ridimensionamento se si voleva produrlo su scala di grammo o addirittura chilogrammo per un uso pratico in futuro”.
Per risolvere questo problema, il team si è rivolto a un prodotto commerciale che è migliaia di volte più economico del grafene come supporto alternativo: il nerofumo.
Grazie a un processo simile all’attrazione elettrostatica, Wang e colleghi riescono ad assorbire singoli atomi di nichel che catalizzano la conversione della CO2 in CO con una resa del 97%.
“In questo momento, il meglio che possiamo produrre sono grammi, ma in precedenza potevamo produrre solo milligrammi per lotto“, ha detto Wang. “Ma questo è limitato solo dalle apparecchiature di sintesi che abbiamo; con un serbatoio più grande, potremmo produrre chilogrammi o addirittura tonnellate di questo catalizzatore“.
L’altra sfida che Wang e colleghi hanno dovuto superare era legata al fatto che il sistema originale funzionava solo in una soluzione liquida. “In definitiva, potrebbe venire il giorno in cui l’industria sarà in grado di catturare la CO2 che viene ora rilasciata nell’atmosfera e trasformarla in prodotti utili”.
Il sistema inizialmente funzionava utilizzando un elettrodo in una camera per scindere le molecole d’acqua in ossigeno e idrogeno. Man mano che l’ossigeno fluiva, gli ioni H trasportati attraverso la soluzione liquida si spostavano nella seconda camera, dove con l’aiuto del catalizzatore al nichel si legavano con la CO2, scomponendone la molecola, rilasciando CO e acqua. Quell’acqua poteva quindi essere reimmessa nella prima camera, dove sarebbe stata nuovamente trasformata in ossigeno e idrogeno, avviando un nuovo ciclo.
“Il problema era che le molecole di CO2 che possiamo ridurre in quel sistema sono solo quelle disciolte in acqua; la maggior parte delle molecole che circondano il catalizzatore erano d’acqua. C’era solo una traccia di CO2, quindi il sistema era abbastanza inefficiente” Ha aggiunto Wang.
Si potrebbe semplicemente aumentare la tensione applicata sul catalizzatore per aumentare la velocità di reazione, ma ciò può portare all’aumento non voluto della scissione dell’acqua, non della riduzione della CO2, ha sugerito Wang.
“Se si esaurisce la CO2 che è vicino all’elettrodo, altre molecole devono diffondersi all’elettrodo e ciò richiede tempo”, ha detto Wang. “Ma se stai aumentando la tensione, è più probabile che l’acqua circostante coglierà l’occasione per reagire e dividersi in idrogeno e ossigeno”.
La soluzione si è rivelata relativamente semplice: per evitare la scissione dell’acqua, il team ha rimosso il catalizzatore dalla soluzione, sostituendolo con vapore acqueo e CO2 ad alta concentrazione. Quindi, se il vecchio sistema era composto da oltre il 99% di acqua e meno dell’1% di CO2, ora possiamo invertire la miscela e pompare il 97% di CO2 e solo il 3% di vapore acqueo. Precedentemente, l’acqua liquida funzionava anche come conduttore di ioni nel sistema, e ora usiamo invece membrane di scambio ionico per aiutare gli ioni a muoversi senza acqua liquida.
“L’impatto è che possiamo offrire un ordine di grandezza di maggiore densità di corrente”, ha continuato. “In precedenza, operavamo a circa 10 milliampere per centimetro quadrato, ma oggi possiamo facilmente aumentare fino a 100 milliampere”.
Il sistema ha ancora delle sfide da superare, in particolare quelle legate alla stabilità .
Ma se si vuole arrivare ad avere un impatto economico o ambientale, il sistema deve avere un funzionamento continuo di migliaia di ore, mentre oggi, spiega Wang, “possiamo farlo per decine di ore, quindi c’è ancora un grande divario, ma credo che questi problemi possano essere affrontati con un’analisi più dettagliata sia del catalizzatore di riduzione della CO2 che del catalizzatore di ossidazione dell’acqua”.
Alla fine, secondo Wang, verrà il giorno in cui l’industria sarà in grado di catturare la CO2 che ora viene rilasciata nell’atmosfera e trasformarla in prodotti utili.
Wang ha spiegato anche che il monossido di carbonio non è un prodotto chimico di particolare valore e il suo gruppo lavora ad altri catalizzatori a base di rame che potrebbero un giorno ridurre ulteriormente la CO 2 in prodotti molto più utili.
Wang ha riconosciuto la libertà di cui godeva all’Istituto Rowland per aver contribuito a realizzare scoperte come il nuovo sistema. “Rowland mi ha fornito, come ricercatore di prima carriera, una grande piattaforma per la ricerca indipendente, che mi ha permesso di avviare gran parte delle direzioni di ricerca che il mio gruppo continuerà a portare avanti“.
Attualmente, Wang ha accettato una posizione presso la Rice University.
