Sono in corso ricerche ed esperimenti continui per trovare il modo migliore possibile per catturare l'anidride carbonica dall'atmosfera. I ricercatori del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e della Columbia University hanno sviluppato un metodo innovativo per questo. Il processo di produzione di nanofibre di carbonio solido da catalizzatori di CO2 non solo catturerà il carbonio, ma produrrà anche idrogeno come sottoprodotto.
Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e della Columbia University hanno scoperto un metodo per trasformare l'anidride carbonica (CO2) in nanofibre di carbonio. Questi materiali possiedono diverse proprietà speciali e potrebbero essere utilizzati in molti modi in futuro. La strategia impiegata prevede la combinazione di reazioni elettrochimiche e termochimiche condotte a basse temperature e pressione controllata. Come dettagliato dagli scienziati nella loro pubblicazione , questo metodo innovativo sequestra efficacemente il carbonio in uno stato solido di valore, portando alla mitigazione o addirittura all'inversione delle emissioni di carbonio. Inoltre, il processo genera anche idrogeno gassoso (H2 ) , un combustibile alternativo molto promettente che, se utilizzato, non produce emissioni.
Il responsabile della ricerca e professore di ingegneria chimica alla Columbia, Jingguang Chen, con un incarico congiunto presso il Brookhaven Lab, ha affermato: "È possibile inserire le nanofibre di carbonio nel cemento per rinforzarlo. Questo permetterebbe di intrappolare il carbonio nel calcestruzzo per almeno 50 anni, potenzialmente anche di più. Entro allora, il mondo dovrebbe essere passato principalmente a fonti di energia rinnovabile che non emettono carbonio".
Cattura e conversione del carbonio
Catturare e convertire la CO2 per contrastare i cambiamenti climatici non è un concetto nuovo. Tuttavia, il semplice stoccaggio di CO2 gassosa può comportare perdite. Molti processi di conversione della CO2 generano sostanze chimiche o combustibili a base di carbonio che vengono immediatamente utilizzati, rilasciando CO2 nuovamente nell'atmosfera.
Il professor Chen ha affermato: "La novità di questo lavoro sta nel fatto che stiamo cercando di convertire la CO2 in qualcosa che abbia valore aggiunto, ma in una forma solida e utile".
Le nanofibre e i nanotubi di carbonio sono materiali solidi di carbonio che hanno dimensioni di miliardesimi di metro. Resistenza, conduttività termica ed elettrica sono incluse nell'elenco delle loro proprietà. Estrarre il carbonio dalla CO2 e assemblarlo in strutture su piccola scala non è facile. Un processo che si basa sul calore richiede temperature superiori a 1,000 °C.
"È un obiettivo molto irrealistico per la mitigazione della CO2 su larga scala. Al contrario, abbiamo scoperto un processo che può avvenire a circa 400° Celsius, una temperatura molto più pratica e raggiungibile a livello industriale", ha aggiunto il professor Chen.
Il tandem a 2 passi
La reazione è stata divisa in 2 fasi per utilizzare 2 diversi tipi di catalizzatore. Ciò rende più facile per le molecole organizzarsi e reagire.
Zhenhua Xie , autore principale dell'articolo e ricercatore presso il Brookhaven Lab e la Columbia University, ha affermato: "Se si scompone la reazione in diverse fasi sub-reattive, si può considerare l'utilizzo di diversi tipi di energia e catalizzatori per far funzionare ciascuna parte della reazione".
Fase 1
Gli scienziati hanno scoperto che utilizzare il monossido di carbonio (CO) come materiale di partenza è più efficace che utilizzare la CO2 per produrre nanofibre di carbonio (CNF). Successivamente, hanno lavorato a ritroso per determinare il metodo più efficiente per generare CO dalla CO2. Il loro lavoro precedente li ha portati a utilizzare un elettrocatalizzatore disponibile in commercio, costituito da palladio supportato su carbonio. Questo elettrocatalizzatore è in grado di scindere sia la CO2 che l'acqua in CO e H2 con l'aiuto di una corrente elettrica.
Fase 2
Per la produzione di nanofibre di carbonio solide a partire da catalizzatori a base di CO2, gli scienziati si sono quindi rivolti a un termocatalizzatore attivato dal calore, costituito da una lega di ferro-cobalto. Questo catalizzatore opera a temperature intorno ai 400 °C , significativamente inferiori a quelle richieste per una conversione diretta da CO2 a nanofibre di carbonio. Hanno inoltre scoperto che l'aggiunta di una piccola quantità di cobalto metallico migliora notevolmente la formazione delle nanofibre di carbonio.
Il professor Chen ha affermato: "Accoppiando l'elettrocatalisi e la termocatalisi, utilizziamo questo processo in tandem per ottenere risultati impossibili da raggiungere con ciascun processo singolarmente."
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Indagine sul catalizzatore
Gli scienziati hanno condotto diversi esperimenti per comprendere il funzionamento di questi catalizzatori. In termini di modellazione, hanno utilizzato calcoli basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT) per esaminare le strutture atomiche e altre proprietà dei catalizzatori in diverse condizioni di interazione chimica. Gli esperimenti a raggi X presso l'NSLS-II hanno monitorato le trasformazioni fisiche e chimiche dei catalizzatori durante le reazioni.
Ping Liu , coautore e responsabile dei calcoli dello studio presso la Divisione di Chimica di Brookhaven, ha dichiarato: "Stiamo analizzando le strutture per determinare quali siano le fasi stabili del catalizzatore nelle condizioni di reazione. Stiamo esaminando i siti attivi e il modo in cui questi si legano agli intermedi di reazione. Determinando le barriere, o stati di transizione, da una fase all'altra, comprendiamo esattamente come funziona il catalizzatore durante la reazione."
"Per la seconda fase, volevamo capire qual è la struttura del sistema ferro-cobalto in condizioni di reazione e come ottimizzare il catalizzatore ferro-cobalto", ha aggiunto Xie.
Gli esperimenti ai raggi X hanno confermato la presenza di una lega di ferro e cobalto. Hanno anche mostrato la presenza di una certa quantità di cobalto metallico aggiuntivo, necessario per convertire il CO in nanofibre di carbonio. Secondo Liu, "I due elementi lavorano insieme in sequenza. Secondo il nostro studio, i siti di cobalto e ferro nella lega aiutano a rompere i legami CO del monossido di carbonio. Ciò rende disponibile il carbonio atomico per fungere da fonte per la costruzione di nanofibre di carbonio. Il cobalto aggiuntivo, quindi, facilita la formazione dei legami C-C che uniscono gli atomi di carbonio".
Rispettoso dell'ambiente e a zero emissioni di carbonio
Soo Yeon Hwang , scienziata del CFN e coautrice dello studio, ha affermato: "L'analisi mediante microscopia elettronica a trasmissione (TEM) condotta al CFN ha rivelato le morfologie, le strutture cristalline e le distribuzioni elementari all'interno delle nanofibre di carbonio sia con che senza catalizzatori".
Secondo il professor Chen, "Le immagini mostrano che, man mano che le nanofibre di carbonio crescono, il catalizzatore viene spinto verso l'alto e lontano dalla superficie. Questo facilita il riciclo del metallo catalitico. Utilizziamo un acido per estrarre il metallo senza distruggere le nanofibre di carbonio, in modo da poter concentrare i metalli e riciclarli per riutilizzarli come catalizzatori."
Il processo risulta economicamente vantaggioso per i seguenti motivi:
- Facilità di catalizzazione raccolta differenziata
- Disponibilità commerciale dei catalizzatori
- Condizioni di reazione relativamente miti per la seconda reazione
"Per le applicazioni pratiche, entrambi sono davvero importanti: l'analisi dell'impronta di CO2 e la riciclabilità del catalizzatore. I nostri risultati tecnici e queste altre analisi mostrano che questa strategia tandem apre una porta alla decarbonizzazione della CO2 in preziosi prodotti di carbonio solido, producendo al contempo H₂ rinnovabile", ha aggiunto il Prof. Chen.
Se la produzione di nanofibre di carbonio solide da catalizzatori a CO2 fosse alimentata da risorse rinnovabili , sarebbe veramente a impatto zero in termini di emissioni di carbonio . Ciò aprirebbe ulteriormente nuove opportunità per la mitigazione delle emissioni di CO2.
Fonte : La combinazione catalitica converte la CO2 in nanofibre di carbonio solide
