Nano-fiori di rame per trasformare la CO

Piccoli nano fiori di rame sono stati fissati a una foglia artificiale per produrre combustibili e sostanze chimiche pulite, che costituiscono la spina dorsale dell'energia e della moderna produzione

I ricercatori dell'University of Cambridge e dell'University of California, Berkeley hanno sviluppato un metodo pratico per produrre idrocarburi (molecole composte da carbonio e idrogeno) utilizzando esclusivamente l'energia solare.

Il dispositivo da loro sviluppato combina una “foglia” che assorbe la luce realizzata con un materiale per celle solari ad alta efficienza chiamato perovskite, con un catalizzatore di un nanoflower di rame, per convertire l'anidride carbonica in molecole utili. A differenza della maggior parte dei catalizzatori metallici, che possono convertire solo la CO₂ in molecole monoatomiche, i fiori di rame consentono la formazione di idrocarburi più complessi con due atomi di carbonio, come etano ed etilene, elementi fondamentali per combustibili liquidi, prodotti chimici e materie plastiche.

Quasi tutti gli idrocarburi attualmente derivano da combustibili fossili, ma il metodo sviluppato dal team Cambridge-Berkeley produce prodotti chimici e combustibili puliti ricavati da CO₂, acqua e glicerolo, un comune composto organico, senza ulteriori emissioni di carbonio. I risultati sono riportati sulla rivista Nature Catalysis (1).

Lo studio si basa sul precedente lavoro del team sulle foglie artificiali (2), che traggono ispirazione dalla fotosintesi: il processo tramite il quale le piante convertono la luce solare in sostanze nutritive. «Volevamo andare oltre la semplice riduzione dell'anidride carbonica e produrre idrocarburi più complessi, ma ciò richiede molta più energia», ha affermato il dottor Virgil Andrei (3) del Cambridge’s Yusuf Hamied Department of Chemistry, autore principale dello studio.

il dottor Andrei, ricercatore del St John's College di Cambridge, ha svolto il lavoro nell'ambito del programma di scambio di Winton Cambridge-Kavli Ensi nel laboratorio del professor Peidong Yang (4) all'University of California, Berkeley.

Accoppiando un assorbitore di luce perovskite con il catalizzatore di un nanoflower di rame, il team ha prodotto idrocarburi più complessi. Per migliorare ulteriormente l'efficienza e superare i limiti di energia della divisione dell'acqua, la squadra ha aggiunto invece elettrodi di nanofili al silicio che possono ossidare il glicerolo. Questa nuova piattaforma produce idrocarburi in modo molto più efficace - 200 volte meglio dei sistemi precedenti per la divisione dell'acqua e dell'anidride carbonica.

La reazione non solo aumenta le prestazioni di riduzione di CO₂, ma produce anche sostanze chimiche di alto valore come glicerato, lattato e formati, che hanno applicazioni in prodotti farmaceutici, cosmetici e sintesi chimica.

«Il glicerolo, o glicerina, è in genere considerato rifiuto, ma qui svolge un ruolo cruciale nel migliorare il tasso di reazione», ha affermato il dottor Andrei. «Ciò dimostra che possiamo applicare la nostra piattaforma a una vasta gamma di processi chimici oltre la semplice conversione dei rifiuti. Progettando attentamente la superficie del catalizzatore, possiamo influenzare i prodotti che generiamo, rendendo il processo più selettivo».

Mentre l'attuale selettività da co₂ idrocarburi rimane circa il 10 per cento, i ricercatori sono ottimisti sul miglioramento della progettazione del catalizzatore per aumentare l'efficienza. Il team prevede di applicare la loro piattaforma a reazioni organiche ancora più complesse, aprendo le porte per l'innovazione nella produzione chimica sostenibile. Con continui miglioramenti, questa ricerca potrebbe accelerare la transizione verso un'economia circolare e neutrale.

«Questo progetto è un eccellente esempio di come i partenariati di ricerca globali possano portare a progressi scientifici di impatto. Combinando le competenze di Cambridge e Berkeley, abbiamo sviluppato un sistema che potrebbe rimodellare il modo in cui produciamo carburanti e preziose sostanze chimiche in modo sostenibile», Ha concluso Virgil Andrei.

La ricerca è stata supportata in parte dal Programma Winton per la fisica della sostenibilità, St John’s College, the US Department of Energy, dall'European Research Council e dal UK Research and Innovation (UKRI).

Riferimenti:

(1) Perovskite-driven solar C₂hydrocarbon synthesis from CO₂

(2) Floating ‘artificial leaves’ ride the wave of clean fuel production

(3) Virgil Andrei

(4) Peidong Yang

Descrizione foto: Sviluppata foglia artificiale che utilizza la luce solare per convertire l'anidride carbonica in preziosi idrocarburi, riducendo la dipendenza dai combustibili fossili. Il dispositivo combina una cella solare a base di perovskite con un catalizzatore di nanoflower di rame, consentendo la produzione di etano ed etilene, composti essenziali per carburanti, sostanze chimiche e materie plastiche. - Credit: Virgil Andrei / University of Cambridge.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Tiny copper ‘flowers’ bloom on artificial leaves for clean fuel production