Nuove strutture chimiche mostrano una capacità di cattura del carbonio notevolmente migliorata

Lo studio, incentrato sui perossidi di titanio, si basa sulla loro precedente ricerca sui perossidi di vanadio. La ricerca fa parte di uno sforzo federale su larga scala volto a innovare nuovi metodi e materiali per la cattura diretta dall’aria, o DAC, del biossido di carbonio, prodotto dalla combustione di combustibili fossili.

I risultati della ricerca, condotta da May Nyman e Karlie Bach dell’OSU College of Science, sono stati pubblicati oggi su Chimica dei materiali.

Nel 2021 Nyman, professore di chimica di Terence Bradshaw al College of Science, è stato scelto come leader di uno dei nove progetti di cattura diretta dell’aria finanziati dal Dipartimento dell’Energia attraverso un investimento iniziale di 24 milioni di dollari. Il suo team sta esplorando come alcuni complessi di metalli di transizione possono reagire con l’aria per rimuovere l’anidride carbonica e convertirla in un carbonato metallico, simile a quello che si trova in molti minerali naturali.

I metalli di transizione si trovano vicino al centro della tavola periodica e il loro nome deriva dalla transizione degli elettroni da stati di bassa energia a stati di alta energia e viceversa, dando origine a colori distintivi.

Gli impianti che filtrano l’anidride carbonica dall’aria sono ancora agli inizi. Le tecnologie per mitigare l’anidride carbonica nel punto di ingresso nell’atmosfera, come nelle centrali elettriche, sono più mature. Entrambi i tipi di cattura del carbonio saranno probabilmente necessari se si vuole che la Terra eviti gli esiti peggiori del cambiamento climatico, dicono gli scienziati.

Attualmente ci sono un totale di 18 impianti di cattura diretta dell’aria attivi che operano negli Stati Uniti, in Canada e in Europa, con piani per altri 130 in tutto il mondo. Le sfide legate alla cattura diretta dell’aria includono grandi costi ed elevati requisiti energetici rispetto al lavoro con gli scarichi industriali. Inoltre, la concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera, quattro parti per milione, è bassa, il che mette a dura prova le prestazioni dei materiali per la cattura del carbonio.

“Abbiamo deciso di esaminare il titanio poiché è 100 volte più economico del vanadio, più abbondante, più rispettoso dell’ambiente e già ben consolidato negli usi industriali”, ha affermato Bach, uno studente laureato nel laboratorio di Nyman. “Inoltre è proprio accanto al vanadio nella tavola periodica, quindi abbiamo ipotizzato che il comportamento di cattura del carbonio potrebbe essere abbastanza simile al vanadio da essere efficace.”

Bach, Nyman e il resto del gruppo di ricerca hanno realizzato diverse nuove strutture di tetraperosso titanato – un atomo di titanio coordinato con quattro gruppi di perossido – che hanno mostrato diverse capacità di eliminare l’anidride carbonica dall’aria. Le strutture tetraperossido tendono ad essere altamente reattive a causa dei gruppi perossido, che sono potenti agenti ossidanti.

I perossititanati correlati sono stati studiati per i loro potenziali usi nella catalisi, nella chimica ambientale e nella scienza dei materiali. Tuttavia, i tetraperossotitanati in questo studio non sono mai stati sintetizzati in modo definitivo; Bach era in grado di utilizzare materiali poco costosi per reazioni chimiche ad alto rendimento.

“La nostra struttura preferita per la cattura del carbonio che abbiamo scoperto è il tetraperosso titanato di potassio, che è davvero unico perché si scopre che è anche un perossosolvato”, ha detto Bach. “Ciò significa che oltre ad avere legami di perossido con il titanio, ha anche perossido di idrogeno nella struttura, che è ciò che crediamo lo rende così reattivo.”

La capacità di cattura del carbonio misurata era di circa 8,5 millimoli di anidride carbonica per grammo di tetraperosso titanato di potassio, circa il doppio di quella del perossido di vanadio.

“Il titanio è un materiale più economico, più sicuro e con una capacità significativamente più elevata”, ha affermato Bach.

Prende il nome dai titani della mitologia greca, il titanio è resistente come l’acciaio ma molto più leggero. Non è tossico, non si corrode facilmente ed è il nono elemento più abbondante nella crosta terrestre: si trova nelle rocce, nel suolo, nelle piante e persino nel corpo umano in tracce.

Altri autori dell’Oregon State sull’articolo includevano i professori assistenti Tim Zuehlsdorff e Konstantinos Goulas, il ricercatore post-dottorato Eduard Garrido Ribó, gli studenti laureati Jacob Hirschi, Zhiwei Mao e Makenzie Nord e il cristallografo Lev Zakharov, manager ad interim dell’impianto di diffrazione di raggi X dell’OSU.

Anche il Murdock Charitable Trust ha sostenuto questa ricerca attraverso una sovvenzione strumentale.