I ricercatori del Dipartimento di Ingegneria dell’Università di Toronto hanno sviluppato un nuovo catalizzatore che converte in modo efficiente il carbonio catturato in prodotti preziosi come etilene ed etanolo, anche in presenza di inquinanti di ossido di zolfo. La scoperta offre un modo più economicamente fattibile per catturare e ottimizzare il carbonio, rivoluzionando potenzialmente settori come quello della produzione di acciaio e cemento, consentendo loro di deviare l’anidride carbonica dai flussi di rifiuti in modo più efficace.
Un catalizzatore elettrochimico per convertire l’anidride carbonica in prodotti preziosi può combattere le impurità che avvelenano le versioni esistenti.
Un nuovo catalizzatore aumenta la conversione del carbonio catturato in prodotti commerciali, mantenendo un’elevata efficienza nonostante le impurità di ossido di zolfo. Questa innovazione potrebbe ridurre significativamente i costi e il fabbisogno energetico nelle tecnologie di cattura del carbonio, con un impatto sull’industria pesante.
I ricercatori del Dipartimento di Ingegneria dell’Università di Toronto sono riusciti a creare un nuovo catalizzatore che trasforma in modo efficiente il carbonio catturato in prodotti preziosi, anche in presenza di un inquinante che degrada le prestazioni delle versioni esistenti.
Questa scoperta rappresenta un passo importante verso tecnologie di cattura e stoccaggio del carbonio più sostenibili dal punto di vista economico che possono essere aggiunte ai processi industriali esistenti.
Sviluppi nelle tecnologie di conversione del carbonio
afferma il professor David Sinton (MIE), autore principale di un articolo pubblicato sulla rivista L’energia della natura Il 4 luglio che descrive il nuovo catalizzatore.
“Ma ci sono altri settori dell’economia che saranno difficili da decarbonizzare: ad esempio, la produzione di acciaio e cemento. Per aiutare queste industrie, dobbiamo innovare modi economicamente vantaggiosi per catturare e incrementare il carbonio nei flussi di rifiuti”.
Roy Kai (Ray) Miao (a sinistra) e Panos Papangelakis (a destra), dottorandi in ingegneria dell’Università di Toronto, tengono in mano un nuovo catalizzatore da loro progettato per convertire l’anidride carbonica catturata in prodotti preziosi. Il loro modello funziona bene anche in presenza di anidride solforosa, un inquinante che avvelena altri catalizzatori. Credito immagine: Tyler Irving/Università di Toronto Engineering
Utilizzo dell’elettrolizzatore nella conversione del carbonio
Sinton e il suo team utilizzano dispositivi noti come elettrolizzatori per convertire l’anidride carbonica e l’elettricità in prodotti come etilene ed etanolo. Queste molecole a base di carbonio possono essere vendute come combustibile o utilizzate come materie prime chimiche per realizzare oggetti di uso quotidiano come la plastica.
All’interno dell’elettrolizzatore, si verifica una reazione di conversione quando tre elementi – anidride carbonica, elettroni e un elettrolita liquido a base d’acqua – si combinano sulla superficie di un catalizzatore solido.
Il catalizzatore è spesso costituito da rame ma può contenere anche altri metalli o composti organici che possono migliorare ulteriormente il sistema. La sua funzione è accelerare la reazione e ridurre la formazione di prodotti collaterali indesiderati, come l’idrogeno gassoso, che riduce l’efficienza complessiva del processo.
Affrontare le sfide legate all’efficienza dei catalizzatori
Sebbene molti gruppi di ricerca in tutto il mondo siano riusciti a produrre catalizzatori ad alte prestazioni, quasi tutti sono progettati per funzionare con anidride carbonica pura. Ma se il carbonio in questione proviene dalle ciminiere, è probabile che il carbonio prodotto da questo processo sia tutt’altro che puro.
“I progettisti di catalizzatori in genere non amano avere a che fare con le impurità, e per una buona ragione”, afferma Panos Papangelakis, dottorando in ingegneria meccanica e uno dei cinque coautori del nuovo articolo.
“Gli ossidi di zolfo, come l’anidride solforosa, avvelenano il catalizzatore legandosi alla superficie. Ciò lascia meno siti in cui l’anidride carbonica può reagire e crea anche sostanze chimiche indesiderate.”
“Avviene molto rapidamente: mentre alcuni catalizzatori possono durare centinaia di ore con un’alimentazione pura, se si introducono queste impurità, la loro efficienza può scendere al 5% in pochi minuti.”
Sebbene esistano metodi consolidati per rimuovere le impurità dai gas di scarico ricchi di CO2 prima di inserirli nell’elettrolizzatore, questi metodi richiedono molto tempo, energia e sono costosi per catturare e migliorare la cattura del carbonio. Inoltre, nel caso dell’anidride solforosa, anche una minima quantità può costituire un grosso problema.
“Anche se si riduce il gas di scarico a meno di 10 parti per milione, o allo 0,001% della carica, il catalizzatore può comunque avvelenarsi in meno di due ore”, afferma Papangelakis.
Innovazioni nella progettazione del catalizzatore
In questo articolo, il team descrive come ha progettato un catalizzatore più flessibile in grado di resistere al biossido di zolfo apportando due modifiche chiave a un tipico catalizzatore a base di rame.
Da un lato hanno aggiunto un sottile strato di politetrafluoroetilene, noto anche come Teflon. Questo materiale antiaderente modifica la chimica sulla superficie del catalizzatore, inibendo le reazioni che consentono l’avvelenamento da anidride solforosa.
Dall’altro lato, hanno aggiunto uno strato di Nafion, un polimero elettricamente conduttivo tipicamente utilizzato nelle celle a combustibile. Questo materiale complesso e poroso contiene alcune aree idrofile, ovvero che attraggono l’acqua, e altre aree idrofobiche, ovvero che la respingono. Questa struttura rende difficile per l’anidride solforosa raggiungere la superficie del catalizzatore.
Prestazioni in condizioni avverse
Il team ha poi alimentato questo catalizzatore con una miscela di anidride carbonica e anidride solforosa, quest’ultima avente una concentrazione di circa 400 parti per milione, che rappresenta un tipico flusso di rifiuti industriali. Anche in queste condizioni difficili, il nuovo catalizzatore ha funzionato bene.
“In questo studio, abbiamo riportato un’efficienza di Faraday – una misura del numero di elettroni finiti nei prodotti desiderati – del 50%, che siamo stati in grado di mantenere per 150 ore”, afferma Papangelakis.
“Ci sono alcuni catalizzatori che potrebbero iniziare con un’efficienza maggiore, forse del 75% o dell’80%. Ma ancora una volta, se sei esposto al biossido di zolfo, in pochi minuti o al massimo in poche ore, l’efficienza scende quasi a zero. Noi sono stato in grado di combatterlo.” “
Tendenze future e implicazioni
Papangelakis afferma che l’approccio del suo team non influisce sulla composizione del catalizzatore stesso, quindi dovrebbe essere applicato su larga scala. In altre parole, i team che hanno già padroneggiato i catalizzatori ad alte prestazioni dovrebbero essere in grado di utilizzare rivestimenti simili per conferire loro resistenza all’avvelenamento da ossido di zolfo.
Sebbene gli ossidi di zolfo siano l’impurità più impegnativa nei tipici flussi di rifiuti, non sono le uniche impurità, poiché il team si rivolge poi all’intera gamma di contaminanti chimici.
“Ci sono molte altre impurità di cui tenere conto, come gli ossidi di azoto, l’ossigeno, ecc.”, afferma Papangelakis.
“Ma il fatto che questo approccio funzioni molto bene con gli ossidi di zolfo è molto promettente Prima di questo lavoro, si dava per scontato che fosse necessario rimuovere le impurità prima di migliorare l’anidride carbonica. Ciò che abbiamo dimostrato è che potrebbe esserci un modo diverso per affrontarlo, il che apre molte nuove possibilità.”
Riferimento: “Migliorare la tolleranza SO2 degli elettrocatalizzatori per la riduzione della CO2 utilizzando il design dell’eterogiunzione di polimeri/catalizzatori/ionomeri” di Panagiotis Papangelakis, Rui Kai Miao, Ruihu Lu, Hanqi Liu, Shi Wang, Adnan Ozden, Shijie Liu e Ning Sun, Colin B. O ‘Brien, Yongfeng Hu, Mohsen Shakouri, Qinfeng Xiao, Mingsha Li, Behrouz Khater, Jian’an Eric Huang, Yakun Wang, Yu-Celin Xiao, Feng Li, Ali Shaisteh Zarate, Qiang Zhang, Pingyu Liu, Kevin Golovin e Jin Wei Hao, Hongjian Liang, Xiyun Wang, Jun Li, Edward H. Sargent e David Sinton, 4 luglio 2024, L’energia della natura.
DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9
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