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L'anidride carbonica (CO2) è al tempo stesso una risorsa essenziale per la vita sulla Terra e un gas serra che contribuisce al riscaldamento globale. Oggi, gli scienziati stanno studiando l'anidride carbonica come risorsa promettente per la produzione di combustibili rinnovabili a basse emissioni di carbonio e di prodotti chimici di alto valore.
La sfida per i ricercatori è individuare metodi efficienti ed economicamente vantaggiosi per convertire l'anidride carbonica in intermedi del carbonio di alta qualità, come il monossido di carbonio, il metanolo o l'acido formico.
Un team di ricerca guidato da KK Neuerlin del National Renewable Energy Laboratory (NREL) e da collaboratori dell'Argonne National Laboratory e dell'Oak Ridge National Laboratory ha trovato una soluzione promettente a questo problema. Il team ha sviluppato un metodo di conversione per produrre acido formico dall'anidride carbonica utilizzando elettricità da fonti rinnovabili, con elevata efficienza energetica e durata nel tempo.
Lo studio, intitolato "Architettura scalabile di assemblaggio di elettrodi a membrana per un'efficiente conversione elettrochimica dell'anidride carbonica in acido formico", è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications.
L'acido formico è un potenziale intermedio chimico con un'ampia gamma di applicazioni, soprattutto come materia prima nell'industria chimica o biologica. L'acido formico è stato inoltre identificato come materia prima per la bioraffinazione e la produzione di carburante pulito per l'aviazione.
L'elettrolisi della CO2 porta alla riduzione della CO2 in intermedi chimici come l'acido formico o molecole come l'etilene quando viene applicato un potenziale elettrico alla cella elettrolitica.
Il gruppo membrana-elettrodo (MEA) in un elettrolizzatore è tipicamente costituito da una membrana conduttrice di ioni (membrana a scambio cationico o anionico) interposta tra due elettrodi costituiti da un elettrocatalizzatore e un polimero conduttore di ioni.
Sfruttando le competenze del team nelle tecnologie delle celle a combustibile e nell'elettrolisi dell'idrogeno, hanno studiato diverse configurazioni di MEA nelle celle elettrolitiche per confrontare la riduzione elettrochimica della CO2 ad acido formico.
Basandosi sull'analisi dei guasti di vari progetti, il team ha cercato di sfruttare i limiti dei materiali esistenti, in particolare la mancanza di rigetto degli ioni nelle attuali membrane a scambio anionico, e di semplificare la progettazione complessiva del sistema.
L'invenzione di KS Neierlin e Leiming Hu del NREL consisteva in un elettrolizzatore MEA migliorato che utilizzava una nuova membrana a scambio cationico perforata. Questa membrana perforata garantisce una produzione di acido formico costante e altamente selettiva e semplifica la progettazione grazie all'utilizzo di componenti standard.
"I risultati di questo studio rappresentano un cambio di paradigma nella produzione elettrochimica di acidi organici come l'acido formico", ha affermato il coautore Neierlin. "La struttura a membrana perforata riduce la complessità dei progetti precedenti e può essere utilizzata anche per migliorare l'efficienza energetica e la durata di altri dispositivi elettrochimici per la conversione dell'anidride carbonica."
Come per ogni scoperta scientifica, è fondamentale comprendere i fattori di costo e la fattibilità economica. Collaborando con diversi dipartimenti, i ricercatori del NREL Zhe Huang e Tao Ling hanno presentato un'analisi tecnico-economica che individua le modalità per raggiungere la parità di costi con gli attuali processi industriali di produzione di acido formico, quando il costo dell'elettricità da fonti rinnovabili è pari o inferiore a 2,3 centesimi di dollaro per kilowattora.
"Il team ha raggiunto questi risultati utilizzando catalizzatori e materiali per membrane polimeriche disponibili in commercio, creando al contempo un design MEA che sfrutta la scalabilità delle moderne celle a combustibile e degli impianti di elettrolisi dell'idrogeno", ha affermato Neierlin.
"I risultati di questa ricerca potrebbero contribuire a convertire l'anidride carbonica in combustibili e prodotti chimici utilizzando elettricità e idrogeno rinnovabili, accelerando la transizione verso la produzione su larga scala e la commercializzazione."
Le tecnologie di conversione elettrochimica sono un elemento fondamentale del programma Electrons to Molecules del NREL, che si concentra sull'idrogeno rinnovabile di nuova generazione, sui combustibili a zero emissioni, sui prodotti chimici e sui materiali per processi azionati elettricamente.
"Il nostro programma sta esplorando modi per utilizzare l'elettricità rinnovabile per convertire molecole come l'anidride carbonica e l'acqua in composti che possono fungere da fonti di energia", ha affermato Randy Cortright, direttore della strategia di trasferimento di elettroni e/o precursori per la produzione di combustibili o prodotti chimici del NREL.
"Questa ricerca sulla conversione elettrochimica rappresenta una svolta che può essere utilizzata in una vasta gamma di processi di conversione elettrochimica, e ci aspettiamo risultati ancora più promettenti da questo gruppo."
Ulteriori informazioni: Leiming Hu et al., Architettura scalabile dell'assemblaggio di elettrodi a membrana per un'efficiente conversione elettrochimica della CO2 in acido formico, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
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