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L'anidride carbonica (CO2) è il prodotto della combustione dei combustibili fossili ed è il gas serra più comune, che può essere riconvertito in combustibili utili in modo sostenibile. Un metodo promettente per convertire le emissioni di CO2 in materia prima per i combustibili è un processo chiamato riduzione elettrochimica. Tuttavia, per essere commercialmente redditizio, il processo deve essere migliorato per selezionare o produrre prodotti più ricchi di carbonio, che rappresentano la forma desiderata. 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 sia il miglior catalizzatore per questa reazione, non offre un'elevata selettività per il prodotto desiderato", ha affermato Alexis Spell, ricercatore senior presso il Dipartimento di Scienze Chimiche del Berkeley Lab e professore di ingegneria chimica all'Università della California, Berkeley. "Il nostro team ha scoperto che è possibile utilizzare l'ambiente locale del catalizzatore per mettere in atto diversi accorgimenti e 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.
Al fine di determinare il design utilizzabile nell'ambiente acquatico delle celle a combustibile, nell'ambito del progetto dell'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 permette il passaggio di determinate molecole cariche (ioni) ed esclude altre. Grazie alle loro proprietà chimiche altamente selettive, questi materiali sono particolarmente adatti ad avere un forte impatto sul microambiente.
Chanyeon Kim, ricercatrice post-dottorato nel gruppo Bell e prima autrice dell'articolo, ha proposto di rivestire la superficie dei catalizzatori di rame con due comuni ionomeri, Nafion e Sustainion. Il team ha ipotizzato che in questo modo si dovrebbe modificare l'ambiente vicino al catalizzatore, compresi il pH e la quantità di acqua e anidride carbonica, indirizzando la reazione verso la produzione di prodotti ricchi di carbonio che possono essere facilmente convertiti in sostanze chimiche utili, come prodotti chimici e combustibili liquidi.
I ricercatori hanno applicato un sottile strato di ciascun ionomero e un doppio strato di due ionomeri su una pellicola di rame supportata da un materiale polimerico, formando così una pellicola che potevano inserire vicino a un'estremità di una cella elettrochimica a forma di mano. Iniettando anidride carbonica nella batteria e applicando una tensione, hanno misurato la corrente totale che la attraversava. Successivamente, hanno misurato il gas e il liquido raccolti nel serbatoio adiacente durante la reazione. Nel caso del doppio strato, hanno scoperto che i prodotti ricchi di carbonio rappresentavano l'80% dell'energia consumata dalla reazione, una percentuale superiore al 60% nel caso senza rivestimento.
"Questo rivestimento a sandwich offre il meglio di entrambi i mondi: elevata selettività del prodotto e alta attività", ha affermato Bell. La superficie a doppio strato non solo è adatta ai prodotti ricchi di carbonio, ma genera anche una forte corrente allo stesso tempo, indicando un aumento dell'attività.
I ricercatori hanno concluso che la migliore 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 producono una minore acidità locale. Questa combinazione compensa i compromessi di concentrazione che tendono a verificarsi in assenza di film di ionomero.
Per migliorare ulteriormente l'efficienza della reazione, i ricercatori si sono rivolti a una tecnologia già collaudata che non richiede un film di ionomero come ulteriore metodo per aumentare la CO2 e il pH: la tensione pulsata. Applicando una tensione pulsata al rivestimento di ionomero a doppio strato, i ricercatori hanno ottenuto un aumento del 250% nei 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 di un catalizzatore non tiene conto delle condizioni operative. Il controllo dell'ambiente sulla superficie del catalizzatore rappresenta un metodo nuovo e diverso.
"Non abbiamo ideato un catalizzatore completamente nuovo, ma abbiamo sfruttato la nostra conoscenza della cinetica di reazione per capire come modificare l'ambiente del sito catalitico", ha affermato Adam Weber, ingegnere senior e scienziato nel campo delle tecnologie energetiche presso i Berkeley Laboratories, nonché coautore degli 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 grandi dimensioni richieste per le applicazioni commerciali. "Non è difficile applicare un rivestimento su una superficie piana. Ma i metodi commerciali possono prevedere il rivestimento di minuscole sfere di rame", ha affermato Bell. Aggiungere un secondo strato di rivestimento diventa una sfida. Una possibilità è quella di mescolare e depositare i due rivestimenti insieme in un solvente, sperando che si separino quando il solvente evapora. E se non accadesse? Bell ha concluso: "Dobbiamo solo essere più intelligenti". Si veda Kim C, Bui JC, Luo X e altri. Customized catalyst microenvironment for electro-reduction of CO2 to multi-carbon products using double-layer ionomer coating on copper. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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Data di pubblicazione: 22 novembre 2021
