Usando la luce invece del calore, i ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia hanno trovato un nuovo modo per rilasciare diossido di carbonio, o CO2, da un solvente utilizzato nella cattura diretta dell’aria, o DAC, per intrappolare questo gas serra. Il nuovo approccio apre la strada a una separazione economicamente sostenibile della CO2 dall’atmosfera.
CO2 – foto illustrativa. Credito immagine: Pixabay (licenza gratuita Pixabay)
Il rilascio su richiesta di anidride carbonica è possibile perché lo stato eccitato di lunga durata di un nuovo acido controlla la concentrazione di protoni della soluzione utilizzando la luce ultravioletta, creando condizioni che portano al rilascio di CO2 ad alta efficienza energetica.
Al contrario, le attuali tecnologie DAC filtrano l’aria attraverso una soluzione acquosa contenente un materiale assorbente, come un amminoacido, che assorbe la CO2 atmosferica e la trattiene. Il riscaldamento del solvente rilascia CO2 e rigenera l’amminoacido per il riciclaggio. La CO2 può essere immagazzinata o convertita in prodotti a valore aggiunto, come etanolo, polimeri o cemento.
“Nelle tecnologie esistenti di cattura diretta dell’aria, il rilascio di CO2 e la rigenerazione dell’assorbente sono le fasi a maggior consumo energetico”, ha affermato il chimico dell’ORNL Yingzhong Ma, che ha guidato il progetto. studio pubblicato in Angewandte Chemie Edizione Internazionale con i colleghi dell’ORNL Radu Custelcean e Uvinduni Premadasa, entrambi chimici.
“L’obiettivo qui è utilizzare l’assorbente aminoacidico, che è riciclabile e ha molte proprietà attraenti, combinato con un approccio più efficiente dal punto di vista energetico per rilasciare la CO2 e rigenerare l’assorbente”.
L’Accademia Nazionale delle Scienze hanno concluso che le tecnologie DAC hanno un ruolo nella rimozione di miliardi di tonnellate di CO2 dall’atmosfera ogni anno per contribuire a limitare l’aumento della temperatura media globale a meno di 2 gradi Celsius (circa 4 gradi Fahrenheit).
Tuttavia, l’intenso costo energetico associato alla rigenerazione dell’assorbente e al rilascio di CO2 su una scala tale da mitigare il cambiamento climatico rende un dispiegamento così massiccio una grande sfida che richiede lo sviluppo di nuovi processi DAC.
L’approccio condotto da ORNL ha fornito una prova di concetto per l’utilizzo dell’irradiazione con luce ultravioletta in condizioni ambientali invece di riscaldare la soluzione per rilasciare la CO2 e rigenerare l’assorbente.
“Il riscaldamento di soluzioni acquose è un metodo di rigenerazione comune, ma è estremamente dispendioso in termini di energia”, ha affermato Custelcean, un pioniere della DAC. “Volevamo eliminare il calore dall’equazione.”
Esiste già la tecnologia per convertire la CO2 in prodotti utili. Dobbiamo solo imparare a usarlo in modo efficiente. Credito immagine: Victor tramite Unsplash, licenza gratuita
Custelcean ha condotto a studio del 2017 che ha dimostrato che un assorbente guanidinico potrebbe catturare direttamente la CO2 dall’aria. Nel 2018, lui e i colleghi hanno dimostrato a Metodo DAC pratico ed efficiente dal punto di vista energetico utilizzando il calore solare per favorire il rilascio del gas serra da un assorbente di amminoacidi. Quest’anno, startup con sede a Knoxville L’Olocene ha concesso in licenza la tecnologia per prepararlo alla diffusione industriale.
In questo nuovo sviluppo, la chiave per rilasciare CO2 in condizioni ambientali è un fotoacido, ovvero una molecola che diventa più acida quando assorbe la luce. Fai luce su un acido come l’aceto e non succede nulla.
Al contrario, esponiamo un fotoacido alla luce ultravioletta o visibile e un gruppo chimico al centro dell’acido ruoterà dal lato opposto di un legame allo stesso lato. Una reazione successiva forma un anello, portando al trasferimento di un protone, o ione idrogeno, al solvente acqua. Questo trasferimento aumenta notevolmente l’acidità della soluzione, producendo un cambiamento chiamato “oscillazione del pH”.
I protoni in eccesso possono ora interagire con il bicarbonato, o HCO3-, che si forma quando la CO2 reagisce con l’assorbente. Il bicarbonato accetta un protone per diventare acido carbonico, o H2CO3, che è solo un passo energeticamente favorevole rispetto all’anidride carbonica e all’acqua.
“Questo articolo descrive la prima volta in cui è stata dimostrata l’oscillazione macroscopica del pH che dura da minuti a ore, utilizzando la luce come trigger esterno per avviare la reazione di rigenerazione della CO2”, ha affermato Vyacheslav “Slava” Bryantsev, leader del gruppo Separazioni chimiche dell’ORNL e co -autore dell’articolo.
“Puoi facilmente accendere e spegnere la luce per controllare la reazione in modo reversibile”, ha detto Ma. “Puoi catturare la CO2 al buio e poi accendere semplicemente la luce quando vuoi rilasciarla per lo stoccaggio o per realizzare prodotti a valore aggiunto. Ti offre la possibilità di controllare facilmente il processo su richiesta.”
Detto questo, i ricercatori avevano bisogno di un ulteriore gioco di luce. I fotoacidi convenzionali non funzionerebbero perché la durata dei loro stati eccitati è molto breve: solo nanosecondi. Perdono protoni ma poi rimangono per lo più nella stessa configurazione. “Allora cambi l’acidità solo per un breve periodo”, ha detto Bryantsev.
Ma e Custelcean, che hanno concepito l’idea di utilizzare un fotoacido per innescare il rilascio di CO2 nelle applicazioni DAC, si sono imbattuti in questo problema quando hanno iniziato gli esperimenti utilizzando un fotoacido disponibile in commercio.
“Quando l’acido carbonico si decompone, ha una vita breve in acqua, dell’ordine di pochi secondi. Ma questo è un infinito rispetto alla durata di un normale fotoacido, che è di nanosecondi, o miliardesimi di secondo”, ha detto Custelcean. “Ecco perché non è possibile eseguire questa chimica con un normale fotoacido: ci vogliono pochi secondi per rilasciare CO2 dall’acido carbonico, ma ci vogliono solo nanosecondi perché il fotoacido riprenda indietro il protone.”
Bryantsev ha avuto l’idea di provare una diversa classe di fotoacidi con uno stato eccitato di lunga durata. Chiamato fotoacido allo stato metastabile, ha una struttura che persiste in soluzione da secondi a ore. Ciò significa che anche il cambiamento di pH determinato dal cambiamento strutturale del fotoacido dura molto più a lungo.
Gli scienziati hanno invitato un esperto nella progettazione e sintesi di fotoacidi a unirsi al team. Yi Liao del Florida Institute of Technology aveva aperto la strada alla nuova classe di fotoacidi allo stato metastabile intorno al 2015, ma per scopi diversi dal DAC.
“Abbiamo davvero fatto un passo avanti dopo aver ottenuto questo fotoacido dal nostro collaboratore”, ha detto Ma. Custelcean acconsentì. “Avere un fotoacido allo stato metastabile ci ha dato tutto il tempo per rilasciare il protone e formare l’acido carbonico. Quindi l’acido carbonico ha avuto il tempo di rilasciare la CO2 nell’acqua. Una volta che ciò accade, la CO2 lascia la soluzione”, ha affermato.
Con Ma, il primo autore Premadasa ha progettato e condotto gli esperimenti per lo studio di prova utilizzando un fotoacido allo stato metastabile sintetizzato da Liao e dal collega della Florida Tech Adnan Elgattar, con successiva caratterizzazione spettroscopica da parte di Benjamin Doughty e Vera Bocharova dell’ORNL.
“Una volta definite le proprietà fotochimiche dell’acido stesso, il passo successivo è stato testarne l’applicabilità per il rilascio di CO2 con vari adsorbenti DAC”, ha affermato Premadasa. “Possiamo manipolare facilmente le composizioni chimiche, l’intensità e i colori della luce per guidare la fotoreazione per un efficiente rilascio di CO2”.
Audrey Miles dell’Università di Notre Dame e Stella Belony dell’Università della Florida, che erano studenti del DOE Science Undergraduate Laboratory Internships al momento dello studio, hanno testato il fotoacido in diverse condizioni per le sue capacità di rilascio di CO2. Poi Michelle Kidder, Diana Stamberga e Joshua Damron dell’ORNL hanno misurato la quantità di CO2 rilasciata in quelle diverse condizioni.
Rimangono molte sfide per sviluppare la tecnologia DAC attivata dalla luce di ORNL. Uno sta comprendendo la dinamica mediante la quale il fotoacido forma un complesso chimico con l’amminoacido assorbente. Un altro sta migliorando la solubilità dei composti in acqua. Un altro ancora sta ottimizzando l’assorbimento della luce dallo spettro visibile.
Inoltre, gli scienziati vorrebbero ridurre il tempo necessario per rigenerare il fotoacido e migliorare la comprensione della sua stabilità a lungo termine.
Indipendentemente da ciò, il futuro è luminoso per i fotoacidi allo stato metastabile. “Il nostro studio apre la strada verso approcci guidati dalla fotochimica per il rilascio di CO2 e la rigenerazione degli assorbenti utilizzando la luce solare”, ha affermato Premadasa.
Il titolo dell’articolo è “Rilascio di CO2 guidato dalla fotochimica utilizzando un fotoacido a stato metastabile per la cattura diretta dell’aria ad alta efficienza energetica”.”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
