La catalisi può salvarci dal nostro problema di CO2?

Il pianeta Terra ha un problema di anidride carbonica. Su base giornaliera, sentiamo parlare di emissioni di CO2 che contribuiscono all’aumento delle temperature globali e ai cambiamenti climatici senza precedenti. Le attività umane pompano nell’aria ogni anno circa 37,1 miliardi di tonnellate di CO2, di cui quasi l ‘ 80% proviene direttamente dai combustibili fossili. Mentre le emissioni sono in calo in alcune economie avanzate, la tendenza globale di aumentare le emissioni mostra pochi segni di rallentamento – infatti, 2019 dovrebbe vedere uno dei maggiori aumenti dei livelli di CO2 atmosferici dall’inizio dei record . Se la situazione continua, le possibilità di raggiungere gli obiettivi dell’accordo di Parigi diminuiranno nel nulla e lo spettro di un caos climatico irreversibile diventerà una realtà terrificante.

Gli scienziati di tutto il mondo stanno lavorando su modi per affrontare questo problema, compresa la cattura di CO2 prodotta dalle attività dell’umanità. Ma una volta catturato, come possiamo mettere la CO2 formata come sottoprodotto di tanti processi a buon uso? Alcuni dicono di conservarlo sottoterra, altri suggeriscono che dovremmo trattarlo come una risorsa preziosa che non dovrebbe essere scaricata. Le aziende stanno già commercializzando tecnologie che convertono la CO2 catturata in materiali da costruzione, fertilizzanti e persino materie plastiche. Un’altra proposta è quella di utilizzare il gas direttamente per una maggiore recupero del petrolio, anche se le credenziali verdi di questa opzione sono dubbie.

Un settore di ricerca sempre più attivo mira a sfruttare l’elettricità rinnovabile per trasformare la CO2 indesiderata in sostanze chimiche preziose. Trasformare la CO2 in combustibili e materie prime non solo trasforma un prodotto di scarto inquinante in qualcosa di utile, ma riduce anche la nostra dipendenza dai combustibili fossili che lo generano in primo luogo. “Stiamo cercando di vedere, se iniziamo con la CO2 come fonte di carbonio piuttosto che una fonte di carbonio del petrolio, che tipo di chimica possiamo fare e che tipo di prodotti possiamo fare”, afferma Feng Jiao, che guida un gruppo di ricerca di dispositivi elettrochimici per l’utilizzo del carbonio presso l’Università del Delaware.

Il processo funziona generalmente alimentando un flusso concentrato di CO2 in una cella di elettrolisi. La CO2 viene ridotta sulla superficie di un elettrodo e, a seconda del numero di elettroni trasferiti, è possibile realizzare una gamma di molecole. Questi prodotti sono formati nell’elettrolito e quindi alimentati a un sistema di separazione, mentre l’elettrolito e la CO2 non reagita vengono riciclati. I prodotti comuni sono monossido di carbonio, metano e acido formico. Ma sono possibili prodotti più complessi e preziosi come l’etanolo e persino il propanolo.

Carbon economy

Jiao ha condotto un’analisi approfondita dell’economia dell’elettroriduzione di CO2 su larga scala,1 e l’anno scorso ha testimoniato a una commissione per l’energia del Senato degli Stati Uniti sul potenziale della tecnologia. Le considerazioni finanziarie chiave sono il prezzo della CO2 catturata, i materiali degli elettrolizzatori e la loro durata, la purificazione del prodotto e, in modo cruciale, il costo dell’elettricità che guida il processo. “Il costo dell’elettricità è davvero significativo, è circa il 70% del costo totale dell’operazione”, osserva Jiao. Ciò significa che, mentre il costo dell’elettricità da fonti rinnovabili continua a diminuire, la conversione elettrocatalitica della CO2 diventa una prospettiva allettante. I modelli attuali suggeriscono che ad un prezzo dell’elettricità di £0.03 / kWh, l’elettroriduzione di CO2 diventa un modo competitivo per produrre diversi prodotti più comunemente derivati da fonti di combustibili fossili. Per mettere questo in contesto, i progetti eolici onshore producono già elettricità a meno di £0.05 per kWh, con alcuni costantemente al di sotto dell’obiettivo di £0.03.

Un aggiunto beneficio di riduzione di CO2, ad esempio, electrolysing acqua per produrre idrogeno, è che il liquido di idrocarburi generati da prodotti sono pronti per alimentare esistenti infrastrutture energetiche e di trasporto. Jiao osserva inoltre che, mentre le tecnologie di elettrolisi sono attualmente utilizzate su piccola scala in laboratorio, sono intrinsecamente scalabili e adatte a fonti di CO2, come centrali elettriche o impianti chimici. “Credo che questa tecnologia possa essere implementata in un periodo di tempo relativamente breve”, aggiunge.

Quindi la tecnologia può davvero intaccare le quantità di CO2 rilasciate a livello globale? Jiao stima che ci vorrebbero 1,5 trilioni di watt-equivalenti a circa l ‘ 8% della produzione energetica totale mondiale – per convertire la CO2 rilasciata dal solo settore energetico statunitense nei prodotti più semplici. “Naturalmente, questo è un problema complicato: sicuramente non sarai in grado di prendere tutta l’elettricità e fare questa conversione, perché altri posti hanno bisogno di elettricità”, dice. Ma Jiao è fermamente convinto che la necessità di smettere di usare combustibili fossili, accoppiato con la crescente disponibilità di energia elettrica rinnovabile, creerà un’opportunità unica per i sistemi elettrochimici. “Ma non dimenticare che la conversione elettrochimica di CO2 è solo una parte del percorso per affrontare il problema delle emissioni di CO2”, aggiunge Jiao. Egli predice un futuro in cui gli approcci elettrocatalitici agiscono come parte di una suite di tecnologie – compresi i processi termochimici e biologici – per affrontare i nostri problemi di emissioni.

la Realizzazione di questa visione significa trovare soluzioni a una serie di questioni. I sovrapotenziali necessari per guidare il processo devono scendere, in modo che sia necessaria meno elettricità per ridurre la CO2. È anche importante aumentare l’efficienza di conversione, trasformando una maggiore quantità di CO2 che fluisce attraverso il sistema in combustibili e materie prime di valore. Questi devono essere formati ad alte concentrazioni con prodotti collaterali minimi, per ridurre i costi – sia finanziari che energetici – delle miscele separanti. E i prodotti stessi devono essere migliorati: creando prodotti chimici più complessi e più preziosi, la tecnologia diventa più economica, con un maggiore ritorno sull’investimento. I recenti progressi hanno fatto passi da gigante su tutti questi obiettivi, rafforzando la visione di Jiao che questa tecnologia sarà praticabile nel prossimo futuro.

Una grande quantità di lavoro è ora in corso per espandere i tipi di molecole che si possono fare. “I materiali più interessanti per la comunità di elettrolisi di CO2 sono probabilmente catalizzatori a base di rame”, spiega Jiao. “Questo perché questi possono creare legami carbonio–carbonio – quindi puoi creare composti C2 o anche C3.”L’etilene è particolarmente attraente in quanto può essere utilizzato per produrre una vasta gamma di composti, mentre l’etanolo e il propanolo possono essere utilizzati come combustibili.

Effetti di superficie

Gli approcci principali richiedono che la CO2 venga prima ridotta a CO, che può quindi reagire ulteriormente. Un processo in due fasi sembra il modo più probabile per le tecnologie di elettrolisi. Tuttavia, un recente rapporto ha dimostrato un catalizzatore tandem di oro e rame su cui le nanoparticelle d’oro generano un’alta concentrazione di CO, che viene poi ulteriormente ridotta ad alcoli come etanolo e n-propanolo da una lamina di rame circostante.2 Questo sistema è 100 volte più selettivo per i prodotti C2 rispetto ai prodotti a carbonio singolo come metano o metanolo.

La struttura superficiale del catalizzatore svolge un ruolo vitale. È stato dimostrato che un elettrodo composto da nanoparticelle di rame su un film strutturato a base di grafene genera etanolo da CO2 in selettività fino all ‘ 84% e altrove, le superfici di rame drogate con boro hanno anche dimostrato di migliorare la stabilità del catalizzatore e la generazione di prodotti C2. Il gruppo di Jiao ha recentemente dimostrato che un’attenta selezione della superficie di rame esposta in nanosheets 2D può sopprimere la formazione di sottoprodotti comuni mentre genera acetato ad alti tassi e selettività.

Ted Sargent conduce un gruppo presso l’Università di Toronto, che è stato ampiamente indagare i ruoli che i difetti giocare in catalyst prestazioni. Recentemente hanno sviluppato particelle di rame con nanocavità appositamente studiate che incoraggiano la formazione di propanolo.3 Le cavità intrappolano efficacemente gli intermedi C2 forzando un altro carbonio su di essi. Il sistema ha ottenuto selettività di propanolo significativamente più elevate rispetto ad altri catalizzatori all’avanguardia. “Questo è un vero progresso, è un’efficienza faradaic impressionante elevata per i prodotti C3 e mostra una maniglia, la leva per puntare la riduzione del CO verso i prodotti a tre atomi di carbonio”, afferma Sargent. Il gruppo ha anche dimostrato che l’introduzione di adparticelle – cluster di atomi a basso coordinamento-sulle superfici degli elettrodi può fornire risultati altrettanto impressionanti e Sargent ritiene che ulteriori sviluppi consentiranno la produzione di C4 e catene di carbonio ancora più lunghe in futuro.

Mentre la capacità di realizzare questi prodotti complessi è un chiaro vantaggio, le nuove innovazioni stanno anche migliorando l’efficienza dei sistemi di elettrolisi. In particolare, gli elettrodi di diffusione del gas stanno superando i problemi posti dalla bassa solubilità del CO negli elettroliti acquosi e consentendo tassi di conversione più elevati. Questi elettrodi incorporano uno strato poroso che il gas viene inviato attraverso prima di raggiungere il catalizzatore. Il gruppo di Sargent ha dimostrato un catalizzatore formato da uno strato di rame spesso 100 nm depositato su uno strato di diffusione del gas a base di carbonio che ha permesso la produzione di etilene da CO2 con selettività del 70%.4 Nel frattempo, il team di Jiao ha utilizzato elettrodi porosi in un sistema che offre l’elettroriduzione più veloce riportata di CO a prodotti a due carboni lunghi e oltre. Tuttavia, anche in questo caso solo il 26% del CO totale che entra nella cella viene convertito in un singolo passaggio.5

Gas guzzlers

Una soluzione ingegneristica al problema di conversione potrebbe già esistere. In un altro recente studio, un team guidato da Matt Kanan della Stanford University ha riproposto la tecnologia di flusso utilizzata nell’industria delle celle a combustibile per migliorare la diffusione del gas. Il team ha utilizzato un campo di flusso interdigitato per forzare più gas possibile nello strato di diffusione del gas dell’elettrodo in un sistema che produce acetato di sodio da CO.

‘La prima cosa che abbiamo fatto è stato davvero cercare di massimizzare il trasporto di CO del catalizzatore e, contemporaneamente, l’estrazione dei prodotti da catalizzatore indietro”, spiega Kanan. “E poi la seconda cosa importante che abbiamo fatto è stata giocare con l’interfaccia tra l’elettrodo e il resto della cella per cercare davvero di ridurre al minimo la quantità di elettrolita liquido in modo da poter produrre flussi di prodotti liquidi concentrati”, aggiunge. Il sistema raggiunge un’impressionante conversione del 68% del CO che entra nella cella in un singolo passaggio.

Oltre a produrre combustibili e materie prime per i processi quotidiani, questi elettrolizzatori a CO2 potrebbero un giorno avere applicazioni più lontane. Il gruppo di Kanan sta lavorando con la Nasa per trasformare la CO2 in cibo e materie prime per missioni spaziali a lungo termine. “Il punto cruciale della nostra collaborazione è che è possibile progettare microbi per prendere substrati e produrre ogni sorta di cose utili per sostenere la vita umana, inclusi cibo, nutrienti e vitamine”, spiega Kanan. “Ma per certi motivi non si possono davvero usare organismi fotosintetici, non è abbastanza efficiente usare una fotoreazione nello spazio.’

Per supportare i microbi in queste condizioni, il team di Kanan propone di riciclare la CO2 espirata dagli astronauti. “Si scopre che se si può fare un substrato C2, in particolare acetato, ci sono un certo numero di microrganismi che possono non solo crescere, ma possono utilizzare acetato come loro fonte di carbonio ed energia per la biosintesi e per fare ogni sorta di cose utili,” dice Kanan.

Mentre questi progressi sono promettenti, c’è ancora del lavoro da fare. Una delle principali preoccupazioni è che la maggior parte delle nuove ricerche si concentra solo sulle efficienze sul lato della cellula in cui si sta verificando la riduzione. “Come comunità dobbiamo iniziare a guardare l’efficienza complessiva di conversione della potenza perché i nostri modelli tecno-economici mostrano tutti che è necessario superare il 50% e la maggior parte dei dispositivi che stiamo segnalando sono nella gamma 20-30% – e quelli sono i migliori.’dice Sargent. “L’elaborazione di approcci per ottenere la massima selettività in correnti elevate, ma in tensione minima, rimane una priorità elevata.’

Mostrare come i sistemi possono quindi essere progettati su scale più grandi e dimostrare la durabilità sarà anche una sfida considerevole. Il modello economico di Jiao considera sistemi commerciali di riduzione della CO2 con una durata di 20 anni. “Ma in laboratorio riusciamo a malapena a testare una settimana-quindi c’è un divario significativo lì”, dice.

Indubbiamente ci sono ancora ostacoli da superare prima che questa tecnologia possa essere utilizzata su larga scala, ma utilizzare elettricità pulita per convertire la CO2 in combustibili e materie prime che possono essere rapidamente integrate con le infrastrutture esistenti è un obiettivo importante e raggiungibile. Il campo sta attirando grande interesse da parte del mondo accademico, start-up e agenzie governative e lo sviluppo nel corso dei prossimi anni sarà fondamentale se la tecnologia è quello di contribuire a salvarci da noi stessi.