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L'anidride carbonica (CO₂) è il prodotto della combustione di combustibili fossili ed è il gas serra più comune, che può essere riconvertito in combustibili utili in modo sostenibile. Un modo promettente per convertire le emissioni di CO₂ in materia prima per il combustibile è un processo chiamato riduzione elettrochimica. Tuttavia, per essere commercialmente sostenibile, il processo deve essere migliorato per selezionare o produrre prodotti più ricchi di carbonio. Ora, come riportato sulla rivista Nature Energy, il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha sviluppato un nuovo metodo per migliorare la superficie del catalizzatore di rame utilizzato per la reazione ausiliaria, aumentando così la selettività del processo.
"Sebbene sappiamo che il rame è il miglior catalizzatore per questa reazione, non garantisce un'elevata selettività per il prodotto desiderato", ha affermato Alexis, ricercatore senior presso il Dipartimento di Scienze Chimiche del Berkeley Lab e professore di ingegneria chimica all'Università della California, Berkeley. Spell ha aggiunto: "Il nostro team ha scoperto che è possibile utilizzare l'ambiente locale del catalizzatore per realizzare vari trucchi per ottenere questo tipo di selettività".
In studi precedenti, i ricercatori hanno stabilito condizioni precise per fornire il miglior ambiente elettrico e chimico per la creazione di prodotti ricchi di carbonio con valore commerciale. Tuttavia, queste condizioni sono contrarie a quelle che si verificano naturalmente nelle tipiche celle a combustibile che utilizzano materiali conduttivi a base d'acqua.
Per determinare il design utilizzabile nell'ambiente acquatico delle celle a combustibile, nell'ambito del progetto Energy Innovation Center della Liquid Sunshine Alliance del Ministero dell'Energia, Bell e il suo team si sono rivolti a un sottile strato di ionomero, che consente il passaggio di determinate molecole cariche (ioni), escludendo altri ioni. Grazie alle loro proprietà chimiche altamente selettive, sono particolarmente adatti ad avere un forte impatto sul microambiente.
Chanyeon Kim, ricercatore post-dottorato del gruppo Bell e primo autore dell'articolo, ha proposto di rivestire la superficie dei catalizzatori di rame con due ionomeri comuni, Nafion e Sustainion. Il team ha ipotizzato che ciò avrebbe modificato l'ambiente circostante il catalizzatore, inclusi il pH e la quantità di acqua e anidride carbonica, in qualche modo per indirizzare la reazione verso la produzione di prodotti ricchi di carbonio facilmente convertibili in sostanze chimiche utili. Prodotti e combustibili liquidi.
I ricercatori hanno applicato uno strato sottile di ciascun ionomero e un doppio strato di due ionomeri a un film di rame supportato da un materiale polimerico per formare un film, che potevano inserire vicino a un'estremità di una cella elettrochimica a forma di mano. Iniettando anidride carbonica nella batteria e applicando tensione, hanno misurato la corrente totale che scorreva attraverso la batteria. Quindi hanno misurato il gas e il liquido raccolti nel serbatoio adiacente durante la reazione. Nel caso a due strati, hanno scoperto che i prodotti ricchi di carbonio rappresentavano l'80% dell'energia consumata dalla reazione, una percentuale superiore al 60% nel caso non rivestito.
"Questo rivestimento a sandwich offre il meglio di entrambi i mondi: elevata selettività del prodotto ed elevata attività", ha affermato Bell. La superficie a doppio strato non solo è adatta ai prodotti ricchi di carbonio, ma genera anche una forte corrente, indicando un aumento dell'attività.
I ricercatori hanno concluso che la risposta migliorata era il risultato dell'elevata concentrazione di CO2 accumulata nel rivestimento direttamente sopra il rame. Inoltre, le molecole caricate negativamente che si accumulano nella regione tra i due ionomeri produrranno una minore acidità locale. Questa combinazione compensa i compromessi di concentrazione che tendono a verificarsi in assenza di film ionomerici.
Per migliorare ulteriormente l'efficienza della reazione, i ricercatori si sono rivolti a una tecnologia già collaudata che non richiede un film ionomerico come ulteriore metodo per aumentare CO2 e pH: la tensione pulsata. Applicando la tensione pulsata al rivestimento ionomerico a doppio strato, i ricercatori hanno ottenuto un aumento del 250% dei prodotti ricchi di carbonio rispetto al rame non rivestito e alla tensione statica.
Sebbene alcuni ricercatori concentrino il loro lavoro sullo sviluppo di nuovi catalizzatori, la scoperta del catalizzatore non tiene conto delle condizioni operative. Il controllo dell'ambiente sulla superficie del catalizzatore è un metodo nuovo e diverso.
"Non abbiamo ideato un catalizzatore completamente nuovo, ma abbiamo sfruttato la nostra conoscenza della cinetica di reazione e utilizzato questa conoscenza per guidarci nel pensare a come modificare l'ambiente del sito del catalizzatore", ha affermato Adam Weber, ingegnere senior, ricercatore nel campo delle tecnologie energetiche presso i Berkeley Laboratories e coautore di articoli.
Il passo successivo è espandere la produzione di catalizzatori rivestiti. Gli esperimenti preliminari del team del Berkeley Lab hanno coinvolto piccoli sistemi modello piatti, molto più semplici delle strutture porose di ampia superficie richieste per le applicazioni commerciali. "Non è difficile applicare un rivestimento su una superficie piana. Ma i metodi commerciali possono comportare il rivestimento di minuscole sfere di rame", ha affermato Bell. Aggiungere un secondo strato di rivestimento diventa impegnativo. Una possibilità è quella di mescolare e depositare insieme i due rivestimenti in un solvente, sperando che si separino quando il solvente evapora. E se non lo facessero? Bell ha concluso: "Dobbiamo solo essere più intelligenti". Si veda Kim C, Bui JC, Luo X e altri. Microambiente catalitico personalizzato per l'elettroriduzione di CO2 in prodotti multicarbonio utilizzando un rivestimento ionomerico a doppio strato su rame. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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Data di pubblicazione: 22-11-2021
