Tra il 1990 e il 2022, da sola l’anidride carbonica è stata il gas serra, responsabile del 78% del cambiamento nel bilancio energetico nell’atmosfera terrestre, gli scienziati che cercano di convertire l’anidride carbonica in combustibili puliti e sostanze chimiche utili spesso producono idrogeno gassoso e carbonati come sottoprodotti indesiderati. Lo studio “Modulating water hydrogen bonding within a non-aqueous environment controls its reactivity in electrochemical transformations”, pubblicato su Nature Catalysis da un team di ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering dell’università di Chicago, ha scoperto un modo più efficiente per farlo, manipolando le molecole d’acqua per rendere la Electrochemical carbon dioxide reduction (CO2R più efficiente, con l’obiettivo finale di creare un ciclo di energia pulita.
Grazie a questo metodo, il team dell’università di Chicago è stato in grado di eseguire la CO2R con un’efficienza quasi del 100% in condizioni leggermente acide, utilizzando oro o zinco come catalizzatori.
Il principale autore dello studio, Reginaldo Gomes, spiega: «Immaginatevi di poter ottenere elettricità verde dal sole e dall’eolico, e quindi utilizzare questa elettricità per riconvertire l’anidride carbonica in combustibili»
Disassemblare elettrochimicamente una molecola è come il primo tiro di una partita di carambola al biliardo. La disposizione precedente scompare e le palline si sparpagliano sul tavolo, fermandosi in nuove combinazioni, non sempre quelle previste dal giocatore. E’ più o meno quel che fanno i ricercatori che eseguono la CO2R utilizzano elettricità e acqua per scomporre e riorganizzare i gas serra dannosi, inviando atomi di carbonio e ossigeno dall'anidride carbonica che si riversano sul tavolo con atomi di idrogeno dall'acqua. Gli scienziati evidenziano che «Se la cosa funziona come previsto, gli atomi formano altre molecole più desiderabili che possono essere utilizzate come combustibili o sostanze chimiche. Ma quando gli atomi si disperdono, spesso si formano accoppiamenti stabili di due atomi di idrogeno, un processo chiamato reazione di evoluzione dell’idrogeno (HER). Questo rende la CO2R meno efficiente, perché l’energia e gli atomi che diventano gas idrogeno non possono far parte delle molecole si stavano cercando di creare. Anche in piccole quantità di acqua, la CO2R è sempre in competizione con HER».
Per risolvere questo problema, l’Amanchukwu Lab di Chicago, noto soprattutto per la sua ricerca sulle batterie, ha applicato le conoscenze ricavate dalle batterie acquose, ipotizzando che il controllo dell’acqua con solventi organici potesse fornire una soluzione.
I ricrcatori spiegano ancora: «Sia CO2R che HER fanno affidamento sull’acqua come donatore di protoni. Usando solventi organici e additivi acidi, il team è stato in grado di ottimizzare il comportamento dell'acqua, trovando il punto giusto in cui donava la giusta quantità di protoni per creare le molecole desiderate, non il gas idrogeno e altri materiali indesiderati come i carbonati».
Uno degli autori dello stidio, Chibueze Amanchukwu, recentemente nominato da Chemical & Engineering News dell'American Chemical Society uno dei suoi dodici talenti annuali, «Giovani scienziati che stanno rendendo il mondo un posto migliore attraverso la chimica», ricorda che «Nella chimica generale apprendiamo che l’anidride carbonica reagisce con l’idrossido per formare carbonato. Questo non è quel che desideriamo perché impoverisce la molecola che vogliamo valorizzare».
Molti dei modi più efficaci per eseguire la CO2R si basano sui metalli preziosi e Gomes ricorda che «Per scopi di ricerca, platino, argento, oro sono ottimi catalizzatori. Sono materiali molto stabili. Ma quando si pensa alle applicazioni industriali, queste diventano proibitive in termini di costi».
Progettando l’elettrolita, il nuovo metodo può ottenere risultati simili utilizzando materiali più economici e più abbondanti.
Amanchukwu conclude: «In questo momento, il modo migliore per farlo elettrochimicamente a temperatura ambiente è utilizzare metalli preziosi. L’oro e l’argento possono sopprimere un po’ la reazione di evoluzione dell’idrogeno. Grazie alla nostra scoperta, ora possiamo utilizzare un metallo abbondante sulla terra, lo zinco, perché ora abbiamo un modo separato per controllare l’acqua».
