Roma – Convertire la CO2 che inquina la nostra atmosfera in una serie di prodotti chimici utili, con relativamente poca spesa e in maniera sostenibile: questo l’obiettivo degli studiosi del MIT- Massachusetts Institute of Technology che hanno sviluppato dei nuovi elettrodi capaci di rendere la conversione della CO2 molto più efficiente. I loro risultati sono stati descritti su Nature Communications. A guidare la ricerca il dottorando del MIT Simon Rufer e il professore di ingegneria meccanica Kripa Varanasi. “Il problema della CO2 è una grande sfida per i nostri tempi e stiamo usando tutti i tipi di leve per risolvere e affrontare questo problema”, afferma Varanasi. Sarà essenziale trovare modi pratici per rimuovere , afferma, sia da fonti come le emissioni delle centrali elettriche, sia direttamente dall’aria o dagli oceani. Ma poi, una volta rimossa la CO2, deve andare da qualche parte. Sono stati sviluppati diversi sistemi per convertire il gas catturato in un prodotto chimico utile, afferma Varanasi. “Non è che non possiamo farlo, possiamo farlo. Ma la domanda è come possiamo renderlo efficiente? Come possiamo renderlo conveniente?” Nel nuovo studio, il team si è concentrato sulla conversione elettrochimica della CO2 in etilene, una sostanza chimica ampiamente utilizzata che può essere trasformata in una varietà di plastiche e combustibili, e che oggi è ricavata dal petrolio. Ma l’approccio da loro sviluppato potrebbe essere applicato anche alla produzione di altri prodotti chimici di alto valore, tra cui metano, metanolo, monossido di carbonio e altri, affermano i ricercatori. Attualmente, l’etilene viene venduto a circa 1.000 dollari a tonnellata, quindi l’obiettivo è riuscire a raggiungere o battere quel prezzo. Il processo elettrochimico che converte la CO2 in etilene coinvolge una soluzione a base di acqua e un materiale catalizzatore, che entrano in contatto insieme a una corrente elettrica in un dispositivo chiamato elettrodo a diffusione di gas. Esistono due caratteristiche concorrenti dei materiali degli elettrodi a diffusione di gas che ne influenzano le prestazioni: devono essere buoni conduttori elettrici in modo che la corrente che aziona il processo non venga sprecata attraverso il riscaldamento a resistenza, ma devono anche essere “idrofobici”, ovvero idrorepellenti, in modo che la soluzione elettrolitica a base d’acqua non fuoriesca e interferisca con le reazioni che avvengono sulla superficie dell’elettrodo. Sfortunatamente, è un compromesso. Migliorare la conduttività riduce l’idrofobicità, e viceversa. Varanasi e il suo team si sono messi alla ricerca di un modo per aggirare questo conflitto e, dopo molti mesi di tentativi, ci sono riusciti. Hanno utilizzato un materiale plastico, il PTFE (essenzialmente Teflon), che è noto per avere buone proprietà idrofobiche. Tuttavia, la mancanza di conduttività del PTFE significa che gli elettroni devono viaggiare attraverso uno strato di catalizzatore molto sottile, portando a una significativa caduta di tensione con la distanza. Per superare questa limitazione, i ricercatori hanno intrecciato una serie di fili di rame conduttivi attraverso il foglio molto sottile del PTFE. “Questo lavoro ha davvero affrontato questa sfida, poiché ora possiamo ottenere sia conduttività che idrofobicità”, afferma Varanasi. La ricerca sui potenziali sistemi di conversione del carbonio tende a essere condotta su campioni molto piccoli, in scala di laboratorio, in genere quadrati inferiori a 1 pollice (2,5 centimetri). Per dimostrare il potenziale di scalabilità, il team di Varanasi ha prodotto un foglio 10 volte più grande in area e ne ha dimostrato le prestazioni efficaci. Per arrivare a quel punto, hanno dovuto fare alcuni test di base che apparentemente non erano mai stati fatti prima, usando elettrodi di dimensioni diverse per analizzare la relazione tra conduttività e dimensione dell’elettrodo. Hanno scoperto che la conduttività calava drasticamente con le dimensioni, il che avrebbe significato che sarebbe stata necessaria molta più energia, e quindi costi, per guidare la reazione. “Era esattamente quello che ci aspettavamo, ma era qualcosa che nessuno aveva mai studiato in modo così approfondito prima”, afferma Rufer. Inoltre, le dimensioni maggiori producevano più sottoprodotti chimici indesiderati oltre all’etilene previsto. Le applicazioni industriali nel mondo reale richiederebbero elettrodi che dovrebbero essere forse 100 volte più grandi delle versioni di laboratorio, quindi aggiungere ulteriori fili conduttivi sarà necessario per rendere tali sistemi pratici, affermano i ricercatori. Hanno anche sviluppato un modello che cattura la variabilità spaziale nella tensione e nella distribuzione del prodotto sugli elettrodi a causa delle perdite ohmiche. Il modello insieme ai dati sperimentali che hanno raccolto ha permesso loro di calcolare la spaziatura ottimale per i fili conduttivi per contrastare il calo di conduttività. “Lo dividiamo in un mucchio di piccoli sottosegmenti, ognuno dei quali è effettivamente un elettrodo più piccolo”, afferma Rufer. “E come abbiamo visto, i piccoli elettrodi possono funzionare davvero bene”. Poiché il filo di rame è molto più conduttivo del materiale PTFE, agisce come una sorta di superstrada per il passaggio degli elettroni. Per dimostrare che il loro sistema funziona, i ricercatori hanno attivato un elettrodo di prova per 75 ore ininterrottamente, con pochi cambiamenti nelle prestazioni. Nel complesso, dice Rufer, il loro sistema “è il primo elettrodo basato su PTFE che è andato oltre la scala di laboratorio. È il primo lavoro che è progredito in una scala molto più grande e lo ha fatto senza sacrificare l’efficienza”. Il processo di tessitura per l’incorporazione del filo può essere facilmente integrato nei processi di produzione esistenti, anche in un processo roll-to-roll su larga scala, aggiunge. (30Science.com)
