Il metodo di cattura del carbonio funziona utilizzando il carbonio per produrre acido acetico — ScienceDaily

Ora, i ricercatori della Northwestern University hanno lavorato con un team internazionale di collaboratori per creare acido acetico dal monossido di carbonio derivato dal carbonio catturato. L’innovazione, che utilizza un nuovo catalizzatore creato nel laboratorio del professor Ted Sargent, potrebbe stimolare un nuovo interesse per la cattura e lo stoccaggio del carbonio.

“La cattura del carbonio è fattibile oggi da un punto di vista tecnico, ma non ancora da un punto di vista economico”, ha detto Sargent. “Utilizzando l’elettrochimica per convertire il carbonio catturato in prodotti con mercati consolidati, forniamo nuovi percorsi per migliorare questi aspetti economici, nonché una fonte più sostenibile per i prodotti chimici industriali di cui abbiamo ancora bisogno”.

Il documento è stato pubblicato oggi (3 maggio) sulla rivista Natura.

Sargent, l’autore corrispondente dell’articolo, è Lynn Hopton Davis e Greg Davis della Northwestern, professore di chimica al Weinberg College of Arts and Sciences e professore di ingegneria elettrica e informatica alla McCormick School of Engineering. Il suo team ha una comprovata esperienza nell’utilizzo di elettrolizzatori – dispositivi in ​​cui l’elettricità fa avanzare una reazione chimica desiderata – per convertire il carbonio catturato in sostanze chimiche industriali chiave, tra cui etilene e propanolo.

Sebbene l’acido acetico possa essere più familiare come componente chiave nell’aceto domestico, il recente dottorato di ricerca dell’Università di Toronto. il destinatario Josh Wicks, uno dei quattro autori principali del documento, ha affermato che questo uso rappresenta solo una piccola parte di ciò per cui è utilizzato.

“L’acido acetico nell’aceto deve provenire da fonti biologiche attraverso la fermentazione perché viene consumato dagli esseri umani”, ha detto Wicks. “Ma circa il 90% del mercato dell’acido acetico è come materia prima per la produzione di vernici, rivestimenti, adesivi e altri prodotti. La produzione su questa scala deriva principalmente dal metanolo, che proviene da combustibili fossili”.

I database di valutazione del ciclo di vita hanno mostrato al team che per ogni chilogrammo di acido acetico prodotto dal metanolo, il processo rilascia 1,6 kg di CO₂.

Il loro metodo alternativo avviene tramite un processo in due fasi: in primo luogo, la CO gassosa catturata₂ viene fatto passare attraverso un elettrolizzatore, dove reagisce con acqua ed elettroni per formare monossido di carbonio (CO). La CO gassosa viene quindi fatta passare attraverso un secondo elettrolizzatore, dove un altro catalizzatore la trasforma in varie molecole contenenti due o più atomi di carbonio.

“Una grande sfida che dobbiamo affrontare è la selettività”, ha detto Wicks. “La maggior parte dei catalizzatori utilizzati per questa seconda fase facilita più reazioni simultanee, il che porta a un mix di diversi prodotti a due atomi di carbonio che possono essere difficili da separare e purificare. Quello che abbiamo cercato di fare qui è stato creare condizioni che favoriscano un prodotto sopra tutti gli altri.”

Vinayak Dravid, un altro autore senior dell’articolo e Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering, è il direttore fondatore del Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Center (NUANCE), che ha permesso al team di accedere a diverse capacità per la caratterizzazione atomica ed elettronica misure in scala dei materiali.

“I problemi di ricerca moderni sono complessi e sfaccettati e richiedono capacità diverse ma integrate per analizzare i materiali fino alla scala atomica”, ha affermato Dravid. “Colleghi come Ted ci presentano problemi impegnativi che stimolano la nostra creatività per sviluppare nuove idee e metodi di caratterizzazione innovativi”.

L’analisi del team ha mostrato che l’utilizzo di una percentuale molto inferiore di rame (circa l’1%) rispetto ai catalizzatori precedenti favorirebbe la produzione del solo acido acetico. Ha anche dimostrato che l’aumento della pressione a 10 atmosfere consentirebbe al team di raggiungere un’efficienza da record.

Nel documento, il team riporta un’efficienza faradica del 91%, il che significa che 91 elettroni su 100 pompati negli elettrolizzatori finiscono nel prodotto desiderato, in questo caso acido acetico.

“Questa è la più alta efficienza faradica per qualsiasi prodotto multi-carbonio a una densità di corrente scalabile che abbiamo visto riportato”, ha detto Wicks. “Ad esempio, i catalizzatori che mirano all’etilene in genere raggiungono un massimo compreso tra il 70% e l’80%, quindi siamo significativamente più alti di quello.”

Anche il nuovo catalizzatore sembra essere relativamente stabile: mentre l’efficienza faradica di alcuni catalizzatori tende a degradarsi nel tempo, il team ha mostrato che rimaneva a un livello elevato dell’85% anche dopo 820 ore di funzionamento.

Wicks spera che gli elementi che hanno portato al successo del team, tra cui un nuovo prodotto target, una pressione di reazione leggermente aumentata e una percentuale inferiore di rame nel catalizzatore, ispirino altri team a pensare fuori dagli schemi.

“Alcuni di questi approcci vanno contro la saggezza convenzionale in questo campo, ma abbiamo dimostrato che possono funzionare davvero bene”, ha affermato. “Ad un certo punto, dovremo decarbonizzare tutti gli elementi dell’industria chimica, quindi più percorsi diversi abbiamo verso prodotti utili, che si tratti di etanolo, propilene o acido acetico, meglio è”.

La ricerca è stata finanziata dal National Key R&D Program of China (numero di concessione 2022YFC2106000, 2022YFA1505100 e 2020YFA0715000), dalla National Natural Science Foundation of China (numero di concessione 11874164, 52006085, BE3250011, 52127816, 5183200 4, 51972129 e 52272202) e il Fondo per l’innovazione del Laboratorio Nazionale di Optoelettronica di Wuhan. Sostiene anche la China Postdoctoral Science Foundation (numeri di concessione 2019TQ0104 e 2020M672343), the) e la Shanghai Jiao Tong University (numero di concessione WH220432516). Il programma Discovery del Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) (numero di concessione RGPIN-2017-06477) e l’Ontario Research Fund (numero di concessione ORF-RE08-034) hanno fornito finanziamenti. Infine, il Marsden Fund Council for Government financing (concessione numero 21-UOA-237) e il Catalyst: Seeding General Grant (concessione numero 22-UOA-031-CGS), gestito dalla Royal Society Te Ap?rangi, hanno finanziato la ricerca.

Questo lavoro si è avvalso della struttura EPIC del Centro NUANCE della Northwestern University, che ha ricevuto il sostegno della risorsa SHyNE (numero di concessione NSF ECCS-2025633), dell’IIN e del programma MRSEC della Northwestern (numero di concessione NSF DMR-1720139).