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L’anidride carbonica (CO2) è il prodotto della combustione di combustibili fossili e del più comune gas serra, che può essere riconvertito in combustibili utili in modo sostenibile. Un modo promettente per convertire le emissioni di CO2 in materia prima per il carburante è un processo chiamato riduzione elettrochimica. Ma per essere commercialmente fattibile, il processo deve essere migliorato per selezionare o produrre i prodotti più ricchi di carbonio desiderati. 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 fornisce un'elevata selettività per il prodotto desiderato", ha affermato Alexis, scienziato senior presso il Dipartimento di Scienze Chimiche del Berkeley Lab e professore di ingegneria chimica all'Università. della California, Berkeley. Ha detto l'incantesimo. "Il nostro team ha scoperto che è possibile utilizzare l'ambiente locale del catalizzatore per eseguire vari trucchi per fornire 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. Ma queste condizioni sono contrarie alle condizioni che si verificano naturalmente nelle tipiche celle a combustibile che utilizzano materiali conduttivi a base d’acqua.
Per determinare il modello che può essere utilizzato nell'ambiente acquatico delle celle a combustibile, come parte 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 determinate cariche molecole (ioni) da attraversare. Escludere altri ioni. Per le loro proprietà chimiche altamente selettive, sono particolarmente adatti ad avere un forte impatto sul microambiente.
Chanyeon Kim, ricercatore post-dottorato nel 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 così facendo si dovrebbe cambiare l’ambiente vicino al catalizzatore – compreso il pH e la quantità di acqua e anidride carbonica – in qualche modo per dirigere la reazione verso la produzione di prodotti ricchi di carbonio che possono essere facilmente convertiti 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 una pellicola di rame supportata da un materiale polimerico per formare una pellicola, che potevano inserire vicino a un'estremità di una cella elettrochimica a forma di mano. Quando hanno iniettato anidride carbonica nella batteria e applicato la tensione, hanno misurato la corrente totale che scorre 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, superiore al 60% nel caso non rivestito.
"Questo rivestimento sandwich offre il meglio di entrambi i mondi: elevata selettività del prodotto ed elevata attività", ha affermato Bell. La superficie a doppio strato non è solo adatta ai prodotti ricchi di carbonio, ma genera allo stesso tempo anche una forte corrente, indicando un aumento dell'attività.
I ricercatori hanno concluso che il miglioramento della risposta 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 pellicole ionomeriche.
Per migliorare ulteriormente l’efficienza della reazione, i ricercatori si sono rivolti a una tecnologia precedentemente collaudata che non richiede una pellicola ionomerica come altro metodo per aumentare CO2 e pH: la tensione pulsata. Applicando una tensione pulsata al rivestimento ionomero 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 proprio 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 utilizzato la nostra comprensione della cinetica di reazione per guidarci nel pensare a come cambiare l'ambiente del sito del catalizzatore", ha affermato Adam Weber, un ingegnere senior. Scienziati nel campo della tecnologia energetica presso i Berkeley Laboratories e coautore di articoli.
Il prossimo passo sarà espandere la produzione di catalizzatori rivestiti. Gli esperimenti preliminari del team del Berkeley Lab hanno coinvolto piccoli sistemi modello piatti, che erano molto più semplici delle strutture porose di grandi dimensioni 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. L'aggiunta di un secondo strato di rivestimento diventa impegnativa. Una possibilità è mescolare e depositare insieme i due rivestimenti in un solvente e sperare che si separino quando il solvente evapora. E se non lo facessero? Bell ha concluso: “Dobbiamo solo essere più intelligenti”. Fare riferimento a 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. Energia Nat. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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Orario di pubblicazione: 22 novembre 2021
