La cattura del carbonio, ovvero l’isolamento e la rimozione dell’anidride carbonica dall’atmosfera durante processi industriali come la miscelazione del cemento o la produzione dell’acciaio, è ampiamente considerata una componente chiave nella lotta al cambiamento climatico. Le tecnologie esistenti per la cattura del carbonio, come il lavaggio delle ammine, sono difficili da implementare perché richiedono una quantità significativa di energia per funzionare e coinvolgono composti corrosivi.
Come alternativa promettente, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato sistemi di cattura del carbonio che utilizzano molecole chiamate chinoni, disciolte in acqua, come composti di cattura. Un nuovo studio in Ingegneria Chimica della Natura fornisce approfondimenti critici sui meccanismi di cattura del carbonio in questi sistemi elettrochimici a base acqua più sicuri e delicati, aprendo la strada al loro ulteriore perfezionamento.
Guidato da Kiana Amini, ex ricercatrice post-dottorato di Harvard e ora assistente professore presso l’Università della British Columbia, lo studio delinea la chimica dettagliata di come funziona un sistema di cattura del carbonio acquoso mediato dal chinone, mostrando l’interazione di due tipi di elettrochimica che contribuiscono alla prestazioni del sistema.
L’autore senior dello studio è Michael J. Aziz, professore di tecnologie dei materiali e dell’energia presso la SEAS. Il laboratorio di Aziz aveva già inventato una tecnologia di batterie a flusso redox che utilizza una chimica simile del chinone per immagazzinare energia per applicazioni commerciali e di rete.
I chinoni sono abbondanti e piccole molecole organiche presenti sia nel petrolio greggio che nel rabarbaro che possono convertire, intrappolare e rilasciare CO2 dall’atmosfera più volte. Attraverso esperimenti di laboratorio, il team di Harvard sapeva che i chinoni intrappolano il carbonio in due modi distinti. Questi due processi avvengono simultaneamente, ma i ricercatori non sono sicuri del contributo di ciascuno alla cattura complessiva del carbonio, come se il loro dispositivo elettrochimico sperimentale fosse una scatola nera.
Questo studio apre la scatola.
“Se vogliamo seriamente sviluppare questo sistema affinché sia il migliore possibile, dobbiamo conoscere i meccanismi che contribuiscono alla cattura e gli importi… non avevamo mai misurato i contributi individuali di questi meccanismi”, ha affermato Amini.
Uno dei modi in cui i chinoni disciolti intrappolano il carbonio è una forma di cattura diretta, in cui i chinoni ricevono una carica elettrica e subiscono una reazione di riduzione che conferisce loro affinità con la CO2. Il processo consente ai chinoni di legarsi al CO2 molecole, dando origine a complessi chimici chiamati chinone-CO2 addotti.
L’altro modo è una forma di cattura indiretta in cui i chinoni si caricano e consumano protoni, cosa che aumenta il pH della soluzione. Ciò consente al CO2 reagire con il mezzo ormai alcalino per formare bicarbonato o composti carbonatici.
I ricercatori hanno ideato due metodi sperimentali in tempo reale per quantificare ciascun meccanismo. Nel primo, hanno utilizzato elettrodi di riferimento per misurare le differenze di firma di tensione tra i chinoni e il risultante chinone-CO2 addotti.
Nel secondo, hanno utilizzato la microscopia a fluorescenza per distinguere tra sostanze chimiche ossidate, ridotte e addotte e ne hanno quantificato le concentrazioni con risoluzioni temporali molto rapide. Ciò è stato possibile perché hanno scoperto che i composti coinvolti nella cattura del carbonio mediata dal chinone hanno firme di fluorescenza uniche.
“Questi metodi ci permettono di misurare i contributi di ciascun meccanismo durante il funzionamento”, ha detto Amini. “In questo modo, possiamo progettare sistemi adattati a meccanismi e specie chimiche specifici.”
La ricerca fa avanzare la comprensione dei sistemi acquosi di cattura del carbonio a base di chinone e fornisce strumenti per personalizzare i progetti per diverse applicazioni industriali. Sebbene permangano sfide, come la sensibilità all’ossigeno che può ostacolare le prestazioni, questi risultati aprono nuove strade di indagine.
La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
