Trasformare la CO2 in CO: una soluzione d'oro per la lotta al cambiamento climatico

Recentemente abbiamo parlato, in questo articolo, del supporto europeo alle tecnologie CCS (Carbon Capture and Storage).

Oltre ai sistemi di cattura e stoccaggio della CO2 (attualmente lontani dall'essere sicuri ed efficaci e che alzano numerosi dubbi anche in chi li sostiene), alcune ricerche si sono orientate nel trovare un metodo economicamente conveniente per convertire la CO2 (diossido di carbonio) in CO (monossido di carbonio), attraverso l'elettroriduzione.

In termini tecnici si parla di CO2RR e potrebbe essere la versione moderna del mito alchemico di trasformare il piombo in oro, dal momento che la CO potrebbe divenire una preziosa risorsa in diverse applicazioni.

Una su tutte, la sintetizzazione del syngas - una miscela composta da CO e idrogeno molecolare (H2) - punto di partenza innumerevoli sintesi nel settore della chimica industriale, organica e inorganica.

I catalizzatori attualmente utilizzati in questa reazione elettrochimica si sono rivelati scarsamente efficienti o troppo selettivi, impedendo alla CO2RR di venire vista come una soluzione pratica e funzionale.

Per saperne di più sulla CO2RR, potete leggere questa tesi, redatta da un laureando del Politecnico di Torino, che esamina nel dettaglio non solo lo stato dell'arte della ricerca, ma anche le strategie messe in campo finora.

Un team di ricercatori dell'Istituto di Ricerca sulla Materia di Fujian, dipartimento facente capo all'Accademia Cinese delle Scienze, ha sviluppato un materiale ibrido, a base di oro (Au), in grado di rendere il processo più efficiente. La squadra ha modificato le nanoparticelle d'oro con un composto macrociclico chiamato cucurbit[6]uril (CB[6]).

"Con questo lavoro, speravamo di risolvere il problema dell'inquinamento ambientale e della carenza di energia attraverso la conversione elettrochimica dell'anidride carbonica in prodotti a valore aggiunto", ha affermato uno degli autori dello studio, il prof. Minna Cao.
"Al fine di migliorare la concentrazione locale di CO2 sulla superficie dei catalizzatori, utilizziamo la macromolecola cucurbit[n]uril per funzionalizzare la superficie dell'oro, che è la caratteristica distintiva del nostro lavoro rispetto a quelli che sono stati svolti in precedenza".

L'oro è noto per essere un catalizzatore più performante rispetto ad altri metalli; tuttavia l'elettroriduzione è una reazione non spontanea che avviene applicando un potenziale elettrico alla cella elettrolitica, a patto che questo potenziale abbia la giusta polarità. Cosa che non avviene fra CO2, CO e Au, dotati tutti e tre di carica positiva.

Per aggirare l'ostacolo il team ha creato una sintesi controllata di nanoparticelle modificando il CB[6] e dotandolo di portali caricati negativamente e superficie caricata positivamente.

I ricercatori hanno verificato sia la morfologia che la struttura superficiale delle nanoparticelle attraverso la microscopia elettronica a trasmissione, dimostrando che il nuovo materiale ibrido, Au@CB[6] è in grado di migliorare l'attività catalitica della CO2RR.

Secondo gli scienziati sono molteplici i fattori che contribuiscono al miglioramento delle prestazioni catalitiche.

In primo luogo, il CB[6] può aumentare la concentrazione locale di CO2 vicino alla superficie metallica, il che significa che Au@CB[6] ha un arricchimento di CO2 sintonizzabile o regolabile.

Inoltre, la modifica di CB[6] consente di migliorare la CO2RR interrompendo le relazioni di scala dell'affinità di legame tra la superficie del catalizzatore e la CO2/CO.

Infine, uno dei motivi per cui la CO2RR era scarsamente efficiente con i catalizzatori a superficie d'oro, è che la CO2 ha una bassa solubilità negli elettroliti acquosi. Un limite che i ricercatori hanno superato utilizzando la forza di legame altamente specifica del macrociclo.

"I risultati hanno mostrato che CB[6] può raccogliere CO2 e guidarne l'aumento della concentrazione locale vicino all'interfaccia metallica, oltre a promuovere il desorbimento di CO, che sono le ragioni dominanti per migliorare le prestazioni di CO2RR", ha detto Cao. "L'utilizzo del macrociclo rigido cucurbit[n]uril per modificare la superficie dei catalizzatori è un percorso promettente per migliorare le prestazioni elettrocatalitiche".

I ricercatori intendono continuare a modificare il catalizzatore per migliorare ulteriormente l'efficienza del CO2RR.

"Nella fase successiva, speriamo di regolare la forma e le dimensioni del catalizzatore d'oro in presenza di cucurbit[n]uril per promuovere ulteriormente le prestazioni catalitiche verso la riduzione elettrochimica dell'anidride carbonica in prodotti a valore aggiunto", ha affermato Cao.

Lo studio del team cinese è stato pubblicato sulla rivista Nano Research

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