Gli ingegneri dell’Università del Delaware hanno dimostrato un modo per catturare efficacemente il 99% dell’anidride carbonica dall’aria utilizzando un nuovo sistema elettrochimico alimentato dall’idrogeno.
Si tratta di un progresso per la cattura dell’anidride carbonica e potrebbe avvicinare al mercato celle a combustibile più rispettose dell’ambiente.
Il team di ricerca, guidato dal professor Yushan Yan, ha riportato il proprio metodo su Nature Energy giovedì 3 febbraio.
Tecnologia rivoluzionaria per l’efficienza delle celle a combustibile
Le celle a combustibile funzionano convertendo l’energia chimica del combustibile direttamente in elettricità. Possono essere utilizzati nei trasporti per cose come veicoli ibridi o a emissioni zero.
Yan, Henry Belin du Pont Chair of Chemical and Biomolecular Engineering, lavora da tempo per migliorare le celle a combustibile a membrana a scambio di idrossido (HEM), un’alternativa economica ed ecologica alle tradizionali celle a combustibile a base di acido utilizzate oggi.
Ma le celle a combustibile HEM hanno un difetto che le ha tenute fuori strada: sono estremamente sensibili all’anidride carbonica nell’aria. In sostanza, l’anidride carbonica rende difficile la respirazione di una cella a combustibile HEM.
Questo difetto riduce rapidamente le prestazioni e l’efficienza della cella a combustibile fino al 20%, rendendo la cella a combustibile non migliore di un motore a benzina. Il gruppo di ricerca di Yan è alla ricerca di una soluzione alternativa a questo enigma dell’anidride carbonica da oltre 15 anni.
Alcuni anni fa, i ricercatori si sono resi conto che questo svantaggio potrebbe effettivamente essere una soluzione: per la rimozione dell’anidride carbonica.
“Una volta che abbiamo scavato nel meccanismo, ci siamo resi conto che le celle a combustibile stavano catturando quasi ogni frammento di anidride carbonica che entrava in esse, ed erano davvero bravi a separarlo dall’altra parte”, ha affermato Brian Setzler, assistente professore per la ricerca in ingegneria chimica e biomolecolare e co-autore della carta.
Anche se questo non va bene per la cella a combustibile, il team sapeva che se avrebbero potuto sfruttare questo processo di “auto-spurgo” integrato in un dispositivo separato a monte della pila di celle a combustibile, avrebbero potuto trasformarlo in un separatore di anidride carbonica.
“Si scopre che il nostro approccio è molto efficace. Siamo in grado di catturare il 99% dell’anidride carbonica dall’aria in un passaggio se abbiamo il giusto design e la giusta configurazione”, ha affermato Yan.
Dunque come l’hanno fatto?
Hanno trovato un modo per incorporare la fonte di alimentazione per la tecnologia elettrochimica all’interno della membrana di separazione. L’approccio prevedeva il cortocircuito interno del dispositivo.
“È rischioso, ma siamo riusciti a controllare questa cella a combustibile in cortocircuito tramite l’idrogeno. E utilizzando questa membrana interna in cortocircuito elettrico, siamo stati in grado di eliminare i componenti ingombranti, come piastre bipolari, collettori di corrente o qualsiasi cavo elettrico in genere trovato in una pila di celle a combustibile”, ha detto Lin Shi, un dottorando nel gruppo Yan e autore principale del documento.
Ora, il team di ricerca aveva un dispositivo elettrochimico che sembrava una normale membrana di filtrazione realizzata per separare i gas, ma con la capacità di raccogliere continuamente piccole quantità di anidride carbonica dall’aria come un sistema elettrochimico più complicato.
In effetti, l’incorporamento dei fili del dispositivo all’interno della membrana ha creato una scorciatoia che ha facilitato il passaggio delle particelle di anidride carbonica da un lato all’altro. Ha inoltre consentito al team di costruire un modulo a spirale compatto con un’ampia superficie in un volume ridotto. In altre parole, ora hanno un pacchetto più piccolo in grado di filtrare maggiori quantità di aria alla volta, rendendolo efficace ed economico per le applicazioni con celle a combustibile. Nel frattempo, meno componenti significano meno costi e, cosa ancora più importante, hanno fornito un modo per scalare facilmente per il mercato.
I risultati del team di ricerca hanno mostrato che una cella elettrochimica di 2 pollici per 2 pollici potrebbe rimuovere continuamente circa il 99% dell’anidride carbonica presente nell’aria che scorre a una velocità di circa due litri al minuto. Un primo prototipo di dispositivo a spirale delle dimensioni di una lattina da 12 once è in grado di filtrare 10 litri di aria al minuto e di eliminare il 98% dell’anidride carbonica, hanno affermato i ricercatori.
Ridimensionato per un’applicazione automobilistica, il dispositivo avrebbe all’incirca le dimensioni di un gallone di latte, ha detto Setzer, ma il dispositivo potrebbe essere utilizzato anche per rimuovere l’anidride carbonica altrove. Ad esempio, la tecnologia brevettata dall’UD potrebbe consentire dispositivi di rimozione dell’anidride carbonica più leggeri ed efficienti in veicoli spaziali o sottomarini, dove la filtrazione continua è fondamentale.
“Abbiamo alcune idee per una tabella di marcia a lungo termine che può davvero aiutarci ad arrivarci”, ha affermato Setzler.
Secondo Shi, poiché il sistema elettrochimico è alimentato dall’idrogeno, con lo sviluppo dell’economia dell’idrogeno, questo dispositivo elettrochimico potrebbe essere utilizzato anche negli aeroplani e negli edifici in cui si desidera il ricircolo dell’aria come misura di risparmio energetico. Alla fine di questo mese, in seguito alla sua tesi di laurea, Shi si unirà a Versogen, una società spin-off di UD fondata da Yan, per continuare a far avanzare la ricerca verso l’idrogeno verde sostenibile .
I coautori dell’articolo del laboratorio Yan includono Yun Zhao, co-primo autore e ricercatore associato, che ha eseguito un lavoro sperimentale essenziale per testare il dispositivo; Stephanie Matz, una studentessa di dottorato che ha contribuito alla progettazione e fabbricazione del modulo a spirale, e Shimshon Gottesfeld , professore a contratto di ingegneria chimica e biomolecolare presso l’UD. Gottesfeld è stato il principale ricercatore del progetto del 2019 , finanziato dall’Agenzia per l’energia dei progetti di ricerca avanzata (ARPA-E), che ha portato ai risultati.