Un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha sviluppato una nuova tecnologia in grado di convertire la CO₂ inquinante in una serie di prodotti chimici utili, con costi relativamente bassi e in modo sostenibile. Il team ha messo a punto elettrodi innovativi che rendono il processo di conversione della CO₂ molto più efficiente. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications.
A guidare la ricerca sono stati il dottorando del MIT Simon Rufer e il professore di ingegneria meccanica Kripa Varanasi. “Il problema della CO₂ è una grande sfida per i nostri tempi e stiamo usando tutti i tipi di leve per risolvere e affrontare questo problema“, ha dichiarato Varanasi. “Sarà essenziale trovare modi pratici per rimuovere la CO₂, sia da fonti come le emissioni delle centrali elettriche, sia direttamente dall’aria o dagli oceani.” Tuttavia, una volta che la CO₂ viene rimossa, è necessario trovare un modo per trasformarla in qualcosa di utile. Varanasi ha spiegato: “Non è che non possiamo farlo, possiamo farlo. Ma la domanda è come possiamo renderlo efficiente? Come possiamo renderlo conveniente?”
Nel nuovo studio, il team si è concentrato sulla conversione elettrochimica della CO₂ in etilene, una sostanza chimica ampiamente utilizzata che può essere trasformata in una varietà di plastiche e combustibili, attualmente ricavata dal petrolio. “Il processo elettrochimico che converte la CO₂ in etilene coinvolge una soluzione a base di acqua e un materiale catalizzatore, che entrano in contatto insieme a una corrente elettrica in un dispositivo chiamato elettrodo a diffusione di gas“, ha precisato Varanasi. Tuttavia, l’approccio sviluppato potrebbe essere applicato anche alla produzione di altri prodotti chimici di alto valore, come metano, metanolo e monossido di carbonio. Attualmente, l’etilene viene venduto a circa 1.000 dollari a tonnellata, quindi l’obiettivo dei ricercatori è quello di raggiungere o battere quel prezzo.
Un’altra sfida affrontata dal team è quella relativa alle caratteristiche concorrenti dei materiali degli elettrodi a diffusione di gas, che influenzano le prestazioni. “Devono essere buoni conduttori elettrici in modo che la corrente che aziona il processo non venga sprecata attraverso il riscaldamento a resistenza, ma devono anche essere idrofobici, ovvero idrorepellenti, in modo che la soluzione elettrolitica a base d’acqua non fuoriesca e interferisca con le reazioni che avvengono sulla superficie dell’elettrodo“, ha spiegato Varanasi. Purtroppo, migliorare la conduttività riduce l’idrofobicità, e viceversa. Dopo mesi di tentativi, il team ha trovato una soluzione utilizzando un materiale plastico, il PTFE (Teflon), che ha buone proprietà idrofobiche. Tuttavia, la mancanza di conduttività del PTFE significava che gli elettroni dovevano viaggiare attraverso uno strato molto sottile di catalizzatore, portando a una significativa caduta di tensione. Per superare questa limitazione, i ricercatori hanno intrecciato una serie di fili di rame conduttivi attraverso il PTFE. “Questo lavoro ha davvero affrontato questa sfida, poiché ora possiamo ottenere sia conduttività che idrofobicità“, ha affermato Varanasi.
Per testare la scalabilità della tecnologia, il team ha prodotto un foglio 10 volte più grande rispetto ai campioni di laboratorio, dimostrando le prestazioni efficaci. Tuttavia, le dimensioni maggiori dell’elettrodo portavano a una riduzione della conduttività e alla produzione di sottoprodotti indesiderati. Rufer ha commentato: “Era esattamente quello che ci aspettavamo, ma era qualcosa che nessuno aveva mai studiato in modo così approfondito prima.” Per migliorare ulteriormente la tecnologia, è stato necessario aggiungere fili conduttivi extra, in particolare se si desiderano elettrodi molto più grandi di quelli usati in laboratorio, tipici delle applicazioni industriali.
Per dimostrare che il sistema funziona anche su larga scala, i ricercatori hanno attivato un elettrodo di prova per 75 ore ininterrottamente, ottenendo pochi cambiamenti nelle prestazioni. “Il nostro sistema è il primo elettrodo basato su PTFE che è andato oltre la scala di laboratorio. È il primo lavoro che è progredito in una scala molto più grande e lo ha fatto senza sacrificare l’efficienza“, ha concluso Rufer. Il processo di tessitura per l’incorporazione del filo può essere facilmente integrato nei processi di produzione esistenti, anche in un processo roll-to-roll su larga scala.
