Le tecnologie per rimuovere il carbonio dall’atmosfera continuano a migliorare, ma le soluzioni su cosa fare con il carbonio una volta catturato sono più difficili da trovare.
Il laboratorio dello scienziato dei materiali Pulickel Ajayan della Rice University e i suoi collaboratori hanno sviluppato un modo per strappare il carbonio dall’anidride carbonica e fissarlo agli atomi di idrogeno, formando metano, un prezioso combustibile e materia prima industriale. Secondo lo studio pubblicato su Materiale avanzatoil metodo si basa sull’elettrolisi e su catalizzatori sviluppati innestando atomi di rame isolati su modelli polimerici bidimensionali.
“La conversione dell’anidride carbonica guidata dall’elettricità può produrre una vasta gamma di combustibili industriali e materie prime attraverso percorsi diversi”, ha affermato Soumyabrata Roy, ricercatore nel laboratorio di Ajayan e autore principale dello studio. “Tuttavia, la conversione dell’anidride carbonica in metano prevede un percorso in otto fasi che solleva sfide significative per la produzione di metano selettiva ed efficiente dal punto di vista energetico.
“Il superamento di tali problemi può aiutare a chiudere il ciclo del carbonio artificiale su scala significativa, e lo sviluppo di catalizzatori efficienti e convenienti è un passo fondamentale verso il raggiungimento di questo obiettivo”.
I modelli polimerici, costituiti da atomi di carbonio e azoto alternati, hanno piccoli pori in cui gli atomi di rame possono adattarsi a distanze variabili l’uno dall’altro. I catalizzatori si assemblano a temperatura ambiente in acqua con gli atomi di rame che spostano gli ioni del metallo ospite negli stampi polimerici. Quando sono stati testati in un reattore, i catalizzatori hanno consentito la riduzione dell’anidride carbonica in metano in una metà della cella, mentre l’ossigeno veniva prodotto dall’acqua nell’altra metà.
“Abbiamo scoperto che modulando le distanze tra gli atomi di rame si abbassa l’energia necessaria per le fasi chiave della reazione, accelerando così la conversione chimica”, ha detto Roy. “Questa azione cooperativa degli atomi di rame vicini ha contribuito a produrre metano con un tasso molto elevato di selettività ed efficienza.”
I catalizzatori sviluppati da Roy e collaboratori hanno prodotto una delle conversioni basate sull’elettrolisi più rapide ed efficienti dell’anidride carbonica in metano conosciute finora, contribuendo a far avanzare il processo di conversione sia in termini di conoscenze scientifiche fondamentali che di livello di prestazioni.
“Se è possibile affrontare l’efficienza energetica e di conversione del carbonio a livello di sistema, materiali economici ed efficienti come questi contribuiranno a catalizzare la traduzione industriale della tecnologia di riduzione elettrochimica del biossido di carbonio”, ha affermato Jingjie Wu, professore associato di ingegneria chimica e ambientale presso l’Università di Cincinnati.
Ajayan, Benjamin M. della Rice e Mary Greenwood Anderson Professore di Ingegneria e presidente del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Nanoingegneria, hanno aggiunto che “la progettazione e lo sviluppo di nuovi catalizzatori sono fondamentali per le sfide energetiche e di sostenibilità che dobbiamo affrontare”.
“I catalizzatori dispersi a singolo atomo rappresentano un approccio entusiasmante in questo sforzo”, ha detto Ajayan.
Wu e Chandra Veer Singh, professore di scienza dei materiali e ingegneria presso l’Università di Toronto, hanno contribuito in modo determinante allo studio.
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