Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) e della Columbia University hanno sviluppato un modo per convertire l’anidride carbonica (CO2), un potente gas a effetto serra, nelle nanofibre di carbonio, materiali con un’ampia gamma di proprietà uniche e molti potenziali usi a lungo termine. La loro strategia utilizza reazioni elettrochimiche e termochimiche tandem eseguite a temperature e pressione ambiente relativamente basse. Come descrivono gli scienziati sulla rivista Catalisi della naturaquesto approccio potrebbe bloccare con successo il carbonio in una forma solida utile per compensare o addirittura ottenere emissioni di carbonio negative.
“Puoi mettere le nanofibre di carbonio nel cemento per rafforzarlo”, ha detto Jingguang Chen, professore di ingegneria chimica alla Columbia con un incarico congiunto al Brookhaven Lab che ha guidato la ricerca. “Ciò bloccherebbe il carbonio nel cemento per almeno 50 anni, potenzialmente più a lungo. Per allora, il mondo dovrebbe passare principalmente a fonti di energia rinnovabili che non emettono carbonio”.
Come bonus, il processo produce anche gas idrogeno (H2), un promettente carburante alternativo che, se utilizzato, crea zero emissioni.
Catturare o convertire il carbonio
L’idea di catturare CO2 o convertirlo in altri materiali per combattere il cambiamento climatico non è una novità. Ma semplicemente immagazzinando CO2 il gas può causare perdite. E molti CO2 le conversioni producono sostanze chimiche o combustibili a base di carbonio che vengono utilizzati immediatamente, che rilasciano CO2 di nuovo nell’atmosfera.
“La novità di questo lavoro è che stiamo cercando di convertire la CO2 in qualcosa che abbia valore aggiunto ma in una forma solida e utile”, ha detto Chen.
Tali materiali solidi in carbonio – compresi i nanotubi di carbonio e le nanofibre con dimensioni che misurano miliardesimi di metro – hanno molte proprietà interessanti, tra cui resistenza e conduttività termica ed elettrica. Ma non è semplice estrarre il carbonio dall’anidride carbonica e farlo assemblare in queste strutture su scala fine. Un processo diretto, alimentato dal calore, richiede temperature superiori a 1.000 gradi Celsius.
“È molto irrealistico per la CO2 su larga scala2 “, ha detto Chen. “Al contrario, abbiamo trovato un processo che può avvenire a circa 400 gradi Celsius, che è una temperatura molto più pratica e raggiungibile a livello industriale.”
Il tandem in due fasi
Il trucco è stato quello di suddividere la reazione in fasi e di utilizzare due diversi tipi di catalizzatori, materiali che rendono più facile per le molecole riunirsi e reagire.
“Se si disaccoppia la reazione in diverse fasi di sottoreazione, è possibile prendere in considerazione l’utilizzo di diversi tipi di input energetici e catalizzatori per far funzionare ciascuna parte della reazione”, hanno affermato Zhenhua Xie, ricercatore del Brookhaven Lab e della Columbia, autore principale dell’articolo.
Gli scienziati hanno iniziato realizzando che il monossido di carbonio (CO) è un materiale di partenza molto migliore della CO2 per la produzione di nanofibre di carbonio (CNF). Poi sono tornati sui loro passi per trovare il modo più efficiente per generare CO2 dalla CO2.
Il lavoro precedente del loro gruppo li ha spinti a utilizzare un prodotto disponibile in commercio elettrocatalizzatore realizzato in palladio supportato su carbonio. Gli elettrocatalizzatori guidano le reazioni chimiche utilizzando una corrente elettrica. In presenza di elettroni e protoni fluenti, il catalizzatore divide sia la CO2 e acqua (H2O) in CO e H2.
Per la seconda fase, gli scienziati si sono rivolti a un dispositivo attivato dal calore termocatalizzatore realizzato in una lega ferro-cobalto. Funziona a temperature intorno ai 400 gradi Celsius, significativamente più miti di una CO2 diretta2Richiederebbe la conversione da -a-CNF. Hanno anche scoperto che l’aggiunta di un po’ di cobalto metallico extra migliora notevolmente la formazione delle nanofibre di carbonio.
“Abbinando l’elettrocatalisi e la termocatalisi, stiamo utilizzando questo processo tandem per ottenere risultati che non possono essere raggiunti con nessuno dei due processi da soli”, ha affermato Chen.
Caratterizzazione del catalizzatore
Per scoprire i dettagli di come funzionano questi catalizzatori, gli scienziati hanno condotto un’ampia gamma di esperimenti. Questi includevano studi di modellazione computazionale, studi di caratterizzazione fisica e chimica presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) del Brookhaven Lab – utilizzando le linee di luce Quick X-ray Absorption and Scattering (QAS) e Inner-Shell Spectroscopy (ISS) – e imaging microscopico presso la struttura di microscopia elettronica presso il Centro per i nanomateriali funzionali (CFN) del laboratorio.
Sul fronte della modellazione, gli scienziati hanno utilizzato i calcoli della “teoria del funzionale della densità” (DFT) per analizzare le disposizioni atomiche e altre caratteristiche dei catalizzatori quando interagiscono con l’ambiente chimico attivo.
“Stiamo esaminando le strutture per determinare quali sono le fasi stabili del catalizzatore in condizioni di reazione”, ha spiegato il coautore dello studio Ping Liu della Divisione di Chimica di Brookhaven che ha condotto questi calcoli. “Stiamo esaminando i siti attivi e il modo in cui questi siti si legano con gli intermedi della reazione. Determinando le barriere, o stati di transizione, da una fase all’altra, impariamo esattamente come funziona il catalizzatore durante la reazione.”
Gli esperimenti di diffrazione e assorbimento dei raggi X presso NSLS-II hanno monitorato il modo in cui i catalizzatori cambiano fisicamente e chimicamente durante le reazioni. Ad esempio, i raggi X di sincrotrone hanno rivelato come la presenza di corrente elettrica trasformi il palladio metallico nel catalizzatore in idruro di palladio, un metallo fondamentale per produrre sia H2 e CO nella prima fase di reazione.
Per la seconda fase, “Volevamo sapere qual è la struttura del sistema ferro-cobalto in condizioni di reazione e come ottimizzare il catalizzatore ferro-cobalto”, ha detto Xie. Gli esperimenti a raggi X hanno confermato che sono presenti sia una lega di ferro e cobalto, sia una certa quantità di cobalto metallico aggiuntivo, necessari per convertire la CO2 in nanofibre di carbonio.
“I due lavorano insieme in sequenza”, ha detto Liu, i cui calcoli DFT hanno aiutato a spiegare il processo.
“Secondo il nostro studio, i siti cobalto-ferro nella lega aiutano a rompere i legami CO del monossido di carbonio. Ciò rende il carbonio atomico disponibile per fungere da fonte per la costruzione di nanofibre di carbonio. Quindi il cobalto extra è lì per facilitare la formazione di i legami CC che collegano gli atomi di carbonio”, ha spiegato.
Pronto per il riciclo, a emissioni di carbonio negative
“L’analisi al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) condotta al CFN ha rivelato le morfologie, le strutture cristalline e le distribuzioni degli elementi all’interno delle nanofibre di carbonio sia con che senza catalizzatori”, ha affermato lo scienziato del CFN e coautore dello studio Sooyeon Hwang.
Le immagini mostrano che, man mano che le nanofibre di carbonio crescono, il catalizzatore viene spinto verso l’alto e lontano dalla superficie. Ciò rende facile riciclare il metallo catalitico, ha detto Chen.
“Utilizziamo l’acido per eliminare il metallo senza distruggere la nanofibra di carbonio in modo da poter concentrare i metalli e riciclarli per essere nuovamente utilizzati come catalizzatore”, ha affermato.
Questa facilità di riciclaggio del catalizzatore, la disponibilità commerciale dei catalizzatori e le condizioni di reazione relativamente blande per la seconda reazione contribuiscono tutti a una valutazione favorevole dell’energia e degli altri costi associati al processo, hanno affermato i ricercatori.
“Per le applicazioni pratiche, entrambi sono davvero importanti: il CO2 analisi dell’impronta e della riciclabilità del catalizzatore”, ha affermato Chen. “I nostri risultati tecnici e queste altre analisi mostrano che questa strategia tandem apre una porta per la decarbonizzazione della CO2 in preziosi prodotti di carbonio solido producendo al contempo H2.”
Se questi processi fossero guidati dalle energie rinnovabili, i risultati sarebbero realmente carbon-negative, aprendo nuove opportunità per la CO22 mitigazione.
Questa ricerca è stata supportata dal DOE Office of Science (BES). I calcoli DFT sono stati eseguiti utilizzando le risorse computazionali del CFN e del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE. NSLS-II, CFN e NERSC sono strutture per gli utenti del DOE Office of Science.
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