È stato scoperto che un minerale del suolo ampiamente diffuso, l'ossidrossido di α-ferro(III), è un catalizzatore riciclabile per la fotoriduzione dell'anidride carbonica ad 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 contribuire a questo obiettivo, 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 efficacemente la CO2 in HCOOH, con una selettività di circa il 90%!
I veicoli elettrici rappresentano un'opzione interessante per molte persone, soprattutto perché non producono emissioni di carbonio. Tuttavia, un grosso svantaggio per molti è la loro autonomia limitata e i lunghi tempi di ricarica. È qui che i combustibili liquidi come la benzina offrono un grande vantaggio: la loro elevata densità energetica si traduce in un'autonomia maggiore e in rifornimenti rapidi.
Il passaggio dalla benzina o dal diesel a un diverso combustibile liquido può eliminare le emissioni di carbonio mantenendo 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 ad HCOOH, l'unico prodotto netto risultante è l'acqua.
L'aumento dei livelli di anidride carbonica nella nostra atmosfera e il suo contributo al riscaldamento globale sono ormai argomenti di discussione comune. Mentre i ricercatori sperimentavano diversi approcci al problema, è emersa una soluzione efficace: trasformare l'eccesso di anidride carbonica presente nell'atmosfera in sostanze chimiche ricche di energia.
La produzione di combustibili come l'acido formico (HCOOH) tramite la fotoriduzione della CO2 alla luce solare ha recentemente attirato molta attenzione perché il processo presenta un duplice vantaggio: riduce le emissioni eccessive di CO2 e contribuisce a minimizzare l'attuale carenza energetica. Essendo un eccellente vettore di idrogeno con un'elevata densità energetica, l'acido formico può fornire energia tramite combustione rilasciando come unico sottoprodotto acqua.
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 della CO2 ad HCOOH. E così è iniziata la ricerca di catalizzatori adatti ed efficienti!
Riduzione fotocatalitica dell'anidride carbonica mediante l'utilizzo di composti di uso comune (infografica). Credito: Professor Kazuhiko Maeda
Grazie alla loro efficienza e alla 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 reticoli metallo-organici (MOF) a base di cobalto, manganese, nichel e ferro, tra i quali quest'ultimo presenta alcuni vantaggi rispetto ad altri metalli. Tuttavia, la maggior parte dei catalizzatori a base di ferro riportati finora 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 di chimica Angewandte Chemie, il team ha dimostrato un catalizzatore a base di ferro supportato da allumina (Al2O3) utilizzando ossiidrossido di ferro(III) α (α-FeO​​​OH; geothite). Il nuovo catalizzatore α-FeO​​​OH/Al2O3 mostra eccellenti prestazioni di conversione da CO2 a HCOOH e un'ottima riciclabilità. Interrogato sulla scelta del catalizzatore, il professor Maeda ha affermato: "Vogliamo esplorare elementi più abbondanti come catalizzatori nei sistemi di fotoriduzione della CO2. Abbiamo bisogno di un catalizzatore solido che sia attivo, riciclabile, non tossico ed economico. Ecco perché abbiamo scelto minerali del suolo ampiamente diffusi come la goethite per i nostri esperimenti".
Il team ha impiegato un semplice metodo di impregnazione per sintetizzare il proprio catalizzatore. Successivamente, ha utilizzato materiali a base di Al2O3 supportato 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 è stata dell'80-90% con una resa quantica del 4,3% (indicativa dell'efficienza del sistema).
Questo studio presenta un catalizzatore solido a base di ferro, il primo nel suo genere, in grado di generare HCOOH se abbinato a un fotosensibilizzatore efficiente. Viene inoltre discussa l'importanza di un adeguato materiale di supporto (Al2O3) e il suo effetto sulla reazione di riduzione fotochimica.
Le informazioni ricavate da questa ricerca potrebbero contribuire allo sviluppo di nuovi catalizzatori privi di metalli nobili per la fotoriduzione dell'anidride carbonica in 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 dei catalizzatori possono dare ottimi risultati, ed è risaputo che i composti abbondanti sulla Terra, se supportati da composti come l'allumina, possono essere utilizzati come catalizzatori selettivi per la riduzione della CO2", conclude il Prof. Maeda.
Riferimenti: "Alfa-ferro (III) ossiidrossido supportato da allumina come catalizzatore solido riciclabile per la 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 hanno un grande vantaggio. La loro elevata densità energetica si traduce in lunghe autonomie e rifornimenti rapidi."
Che ne dici di qualche dato numerico? Come si confronta la densità energetica dell'acido formico con quella della benzina? Avendo un solo atomo di carbonio nella formula chimica, dubito che si avvicini minimamente a quella della benzina.
Oltre a ciò, l'odore è molto tossico e, essendo un acido, è più corrosivo della benzina. Questi non sono problemi ingegneristici irrisolvibili, ma a meno che l'acido formico non offra vantaggi significativi nell'aumentare l'autonomia e nel ridurre i tempi di ricarica delle batterie, probabilmente non vale la pena di impegnarsi.
Se avessero intenzione di estrarre la goethite dal terreno, si tratterebbe di un'operazione mineraria ad alta intensità energetica e potenzialmente dannosa per l'ambiente.
Potrebbero menzionare una grande quantità di goethite nel terreno, poiché sospetto che sarebbe necessaria più energia per ottenere le materie prime necessarie e farle reagire per sintetizzare la goethite.
È necessario esaminare l'intero ciclo di vita del processo e calcolare il costo energetico di ogni elemento. La NASA non ha riscontrato la possibilità di un lancio gratuito. Gli altri devono tenerlo presente.
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