Si è scoperto che un minerale del suolo ampiamente distribuito, l'α-ferro-(III) ossiidrossido, è un catalizzatore riciclabile per la fotoriduzione dell'anidride carbonica in acido formico. Credito: Prof. Kazuhiko Maeda
La fotoriduzione della CO2 in combustibili trasportabili come l'acido formico (HCOOH) è un buon modo per contrastare l'aumento dei livelli di CO2 nell'atmosfera. Per facilitare questo compito, un team di ricerca del Tokyo Institute of Technology ha selezionato un minerale a base di ferro facilmente reperibile e lo ha caricato su un supporto di allumina per sviluppare un catalizzatore in grado di convertire in modo efficiente la CO2 in HCOOH, con una selettività di circa il 90%!
I veicoli elettrici rappresentano un'opzione interessante per molte persone, e uno dei motivi principali è che non producono emissioni di carbonio. Un grande svantaggio per molti, tuttavia, è la scarsa autonomia e i lunghi tempi di ricarica. È qui che i carburanti liquidi come la benzina presentano un grande vantaggio. La loro elevata densità energetica significa lunghe autonomie e rifornimenti rapidi.
Passare dalla benzina o dal gasolio a un diverso combustibile liquido può eliminare le emissioni di carbonio, mantenendo al contempo i vantaggi dei combustibili liquidi. In una cella a combustibile, ad esempio, l'acido formico può alimentare un motore rilasciando acqua e anidride carbonica. Tuttavia, se l'acido formico viene prodotto riducendo la CO2 atmosferica a HCOOH, l'unica produzione netta è acqua.
L'aumento dei livelli di anidride carbonica nella nostra atmosfera e il loro contributo al riscaldamento globale sono ormai notizie comuni. Mentre i ricercatori sperimentavano diversi approcci al problema, è emersa una soluzione efficace: trasformare l'eccesso di anidride carbonica nell'atmosfera in sostanze chimiche ricche di energia.
La produzione di combustibili come l'acido formico (HCOOH) mediante fotoriduzione della CO2 nella luce solare ha attirato molta attenzione di recente perché il processo ha un doppio vantaggio: riduce le emissioni eccessive di CO2 e aiuta anche a minimizzare la carenza di energia a cui attualmente ci troviamo. Essendo un eccellente vettore per l'idrogeno con elevata densità energetica, l'HCOOH può fornire energia tramite combustione rilasciando solo acqua come sottoprodotto.
Per rendere questa soluzione redditizia una realtà, gli scienziati hanno sviluppato sistemi fotocatalitici che riducono l'anidride carbonica con l'aiuto della luce solare. Questo sistema è costituito da un substrato che assorbe la luce (ovvero un fotosensibilizzatore) e da un catalizzatore che consente il trasferimento multiplo di elettroni necessario per la riduzione di CO2 in HCOOH. E così è iniziata la ricerca di catalizzatori adatti ed efficienti!
Riduzione fotocatalitica dell'anidride carbonica mediante l'uso di infografiche su composti comunemente utilizzati. Credito: Professor Kazuhiko Maeda
Grazie alla loro efficienza e potenziale riciclabilità, i catalizzatori solidi sono considerati i migliori candidati per questo compito e, nel corso degli anni, sono state esplorate le capacità catalitiche di molti framework metallo-organici (MOF) a base di cobalto, manganese, nichel e ferro, tra cui quest'ultimo presenta alcuni vantaggi rispetto ad altri metalli. Tuttavia, la maggior parte dei catalizzatori a base di ferro finora segnalati produce solo monossido di carbonio come prodotto principale, non HCOOH.
Tuttavia, questo problema è stato rapidamente risolto da un team di ricercatori del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) guidato dal Professor Kazuhiko Maeda. In un recente studio pubblicato sulla rivista chimica Angewandte Chemie, il team ha dimostrato un catalizzatore a base di ferro supportato da allumina (Al2O3) utilizzando ossi-idrossido di ferro(III) α (α-FeO​​​OH; geotite). Il nuovo catalizzatore α-FeO​​​OH/Al2O3 mostra eccellenti prestazioni di conversione da CO2 a HCOOH e un'eccellente riciclabilità. Alla domanda sulla scelta del catalizzatore, il Professor Maeda ha dichiarato: "Vogliamo esplorare elementi più abbondanti come catalizzatori nei sistemi di fotoriduzione di CO2. Abbiamo bisogno di un catalizzatore solido che sia attivo, riciclabile, non tossico ed economico. Ecco perché abbiamo scelto minerali del suolo ampiamente distribuiti come la goethite per i nostri esperimenti".
Il team ha utilizzato un semplice metodo di impregnazione per sintetizzare il catalizzatore. Hanno quindi utilizzato materiali Al2O3 supportati da ferro per ridurre fotocataliticamente la CO2 a temperatura ambiente in presenza di un fotosensibilizzatore a base di rutenio (Ru), un donatore di elettroni e luce visibile con lunghezze d'onda superiori a 400 nanometri.
I risultati sono molto incoraggianti. La selettività del loro sistema per il prodotto principale HCOOH era dell'80-90% con una resa quantica del 4,3% (che indica l'efficienza del sistema).
Questo studio presenta un catalizzatore solido a base di ferro, unico nel suo genere, in grado di generare HCOOH se abbinato a un fotosensibilizzatore efficiente. Viene inoltre esaminata l'importanza di un materiale di supporto adeguato (Al2O3) e il suo effetto sulla reazione di riduzione fotochimica.
Le intuizioni di questa ricerca potrebbero contribuire allo sviluppo di nuovi catalizzatori privi di metalli nobili per la fotoriduzione dell'anidride carbonica ad altre sostanze chimiche utili. "La nostra ricerca dimostra che il percorso verso un'economia basata sull'energia verde non è complicato. Anche semplici metodi di preparazione del catalizzatore possono produrre ottimi risultati, ed è noto che i composti abbondanti sulla Terra, se supportati da composti come l'allumina, possono essere utilizzati come catalizzatori selettivi per la riduzione di CO2", conclude il Prof. Maeda.
Riferimenti: "Alfa-ferro (III) ossiidrossido supportato da allumina come catalizzatore solido riciclabile per fotoriduzione di CO2 sotto luce visibile" di Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. Toshiyuki Yokoi, Prof. Shunsuke Nozawa, Prof. Kazuhiko Maeda, 12 maggio 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
"È qui che i combustibili liquidi come la benzina presentano un grande vantaggio. La loro elevata densità energetica significa lunghe autonomie e rifornimenti rapidi."
Che ne dici di qualche numero? Come si confronta la densità energetica dell'acido formico con quella della benzina? Con un solo atomo di carbonio nella formula chimica, dubito che si avvicini anche solo lontanamente alla benzina.
Oltre a ciò, l'odore è molto tossico e, essendo un acido, è più corrosivo della benzina. Non si tratta di problemi ingegneristici irrisolvibili, ma a meno che l'acido formico non offra vantaggi significativi nell'aumentare l'autonomia e nel ridurre i tempi di rifornimento della batteria, probabilmente non ne vale la pena.
Se avessero pensato di estrarre la goethite dal terreno, si sarebbe trattato di un'operazione mineraria ad alta intensità energetica e potenzialmente dannosa per l'ambiente.
Potrebbero menzionare la presenza di molta goethite nel terreno, poiché sospetto che ci vorrebbe più energia per ottenere le materie prime necessarie e farle reagire per sintetizzare la goethite.
È necessario considerare l'intero ciclo di vita del processo e calcolare il costo energetico di ogni cosa. La NASA non ha trovato nulla che possa essere definito un lancio gratuito. Altri devono tenerlo a mente.
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