Chiusura del ciclo del carbonio con la produzione di propano verde

Tecnologia scientifica

Negli ultimi tre secoli, soprattutto a partire dalla Rivoluzione Industriale tra la fine del XVIII e il XIX secolo, le attività umane hanno aumentato significativamente i livelli di gas serra nell’atmosfera terrestre. I principali colpevoli sono il consumo di combustibili fossili, i processi industriali, la deforestazione e la gestione dei rifiuti.

In risposta, gli Stati Uniti mirano a ridurre le emissioni di gas serra del 50-52% rispetto ai livelli del 2005 entro il 2030. Questa iniziativa è in linea con l’impegno globale per raggiungere l’azzeramento delle emissioni nette di gas serra entro il 2050. Con l’energia elettrica e i settori industriali che contribuiscono a circa metà delle emissioni di anidride carbonica (CO2) degli Stati Uniti, trovare soluzioni in queste aree è fondamentale.

Ora, in un articolo pubblicato su Nature Energy, i ricercatori dell’Università della Pennsylvania, dell’Illinois Institute of Technology e dell’Università dell’Illinois a Chicago hanno sviluppato un sistema in grado di convertire le emissioni di CO2 in propano (C3H8), un materiale più pulito, più energetico. fonte di combustibile denso.

“La conversione elettrochimica della CO2 può soddisfare le future esigenze energetiche immagazzinando energia rinnovabile e chiudendo il ciclo del carbonio di origine antropica”, afferma il coautore Andrew Rappe della School of Arts & Sciences della Penn. “Questa ricerca apre la strada a nuove soluzioni che affronteranno le sfide dello stoccaggio dell’energia e ridurranno significativamente i livelli di CO2”.

“Realizzare una produzione chimica rinnovabile è davvero importante”, afferma il coautore Mohammad Asadi dell’Illinois Institute of Technology. “È il modo migliore per chiudere il ciclo del carbonio senza perdere le sostanze chimiche che attualmente utilizziamo quotidianamente”.

Il rame è stato tradizionalmente l’elemento di riferimento per i ricercatori che studiano modi efficienti per convertire la CO2 in sostanze chimiche e combustibili preziosi, sia per ridurne l’impatto ambientale che per fornire nuove soluzioni di stoccaggio dell’energia. Tuttavia, i combustibili prodotti sono composti monocarbonio a bassa densità energetica come il metano.

“Ottenere prodotti multicarbonio ad alta densità energetica come C3H8 è rimasta una sfida a causa dei numerosi intermedi che si formano durante il processo di conversione chimica”, spiega Zhen Jiang, co-primo autore dell’articolo ed ex ricercatore post-dottorato presso The Rappe Group. “Inoltre, la maggior parte delle strategie per aumentare la selettività di un materiale per le molecole multi-carbonio tendono ad essere energeticamente costose”.

Jiang afferma che il team ha cercato modi per andare oltre i catalizzatori esistenti come il rame – e la loro modesta selettività per i prodotti multi-carbonio o la loro cinetica lenta – e ha studiato modi per aggiungere liquido ionico (IL) nel sistema catalitico. Ciò ha spinto il team a considerare il fosfuro di tri-molibdeno (Mo3P) come materiale catalitico.

“Sulla base delle nostre simulazioni teoriche, abbiamo scoperto che lo strato IL può migliorare l’adesione della CO2 e dei gruppi successivi durante la reazione sulla superficie del catalizzatore Mo3P, stabilizzando così gli intermedi in diversi siti lungo la superficie per produrre C3H8 con un’efficienza senza pari del 91% ”, dice Jiang.

Il team rileva inoltre che questa scoperta chiave ha portato a un nuovo paradigma per esplorare la relazione tra i materiali nei sistemi elettrocatalitici.

“Convenzionalmente, il catalizzatore allo stato solido e la soluzione acquosa che collega il trasferimento di ioni durante la reazione agivano con una minore promozione reciproca all’interfaccia”, afferma Jiang. “Ma ora possiamo applicare un approccio ibrido tramite tecniche come il rivestimento IL su catalizzatori a stato solido e riesaminare sistemi precedentemente sperimentati con la nostra nuova comprensione del microambiente del catalizzatore”.

Guardando al futuro, i ricercatori intendono sviluppare questa ricerca in due modi: il primo, per sviluppare un catalogo di liquidi ionici e la loro efficacia nei catalizzatori per la generazione di carburante e in altri sistemi elettrochimici; e due, studiare nuovi catalizzatori per la conversione della CO2 in fonti di combustibile a maggiore densità energetica, dal gas combustibile al petrolio leggero con più atomi di carbonio.

Rappe afferma: “Estendere questa ricerca agli idrocarburi più pesanti potrebbe chiudere il ciclo del carbonio creando gas naturale, propano, benzina e persino carburante per aerei direttamente dalla CO2 prodotta dalla precedente combustione del carburante. In questo modo, gli stessi atomi di carbonio immagazzinano energia più e più volte e non la rilasciano nell’atmosfera”.