Produzione selettiva di etanolo ed etilene dalla CO2
Mitigare l’accumulo di CO2 nell’atmosfera e il suo impatto sul clima è imperativo per la salute del nostro pianeta e il benessere dei suoi abitanti. La decarbonizzazione, il sequestro del carbonio e il riciclaggio dell’anidride carbonica svolgeranno probabilmente un ruolo essenziale in tal senso. La riduzione della CO2 durante la fotosintesi è il modo in cui la natura ricicla il carbonio atmosferico per immagazzinare e rilasciare energia e per produrre altre molecole. Nell’industria, la reazione elettrochimica di riduzione della CO2 (CO2RR) è una delle strategie più promettenti. Può essere utilizzata per produrre carburanti e prodotti chimici contenenti carbonio di alto valore, tra cui monossido di carbonio (CO), etanolo ed etilene. Sebbene i principi fondamentali del processo CO2RR siano stati stabiliti su scala di laboratorio, sono state necessarie ottimizzazioni ingegneristiche per realizzare dispositivi attuabili dal punto di vista commerciale. Il progetto SELECTCO2, finanziato dall’UE, ha risposto a questa pressante esigenza, migliorando la selettività e l’efficienza del processo e aumentando al contempo la durata dei componenti del dispositivo.
La riduzione della CO2 attenua l’accumulo di anidride carbonica e la dipendenza dai combustibili fossili
Il monossido di carbonio viene tipicamente prodotto tramite reazione di reforming con vapore del gas naturale e dell’etilene, attraverso la scomposizione degli idrocarburi a catena lunga presenti nei combustibili fossili. La fermentazione della biomassa emette una molecola di CO2 per ciascuna di etanolo che viene prodotta. Secondo Brian Seger, coordinatore del progetto e docente presso l’Università tecnica della Danimarca: «Il nostro processo inizia con il 100 % di CO2 e utilizza quindi energia elettrica e acqua per convertire la CO2 in molecole utili. Il CO è un intermedio nella conversione della CO2 in etanolo ed etilene, per cui se partiamo dal monossido di carbonio, saltiamo di fatto un passaggio. Ciò rende vantaggiosi i flussi in uscita contenenti CO. Le intuizioni del membro del nostro comitato consultivo industriale Tata Steel sono state molto preziose, poiché il processo siderurgico produce notevoli quantità di CO2 e CO.»
Ottimizzazione di un dispositivo CO2RR in vista della commercializzazione
SELECTCO2 si proponeva di migliorare i dispositivi di elettrolisi della CO2 incrementando le prestazioni del catalizzatore, dello strato di diffusione del gas e della membrana, nonché rafforzandone l’integrazione. Un modello di trasferimento di massa multiscala è stato determinante per migliorare le prospettive commerciali del dispositivo. «Abbiamo scoperto i meccanismi di reazione che rendono difficile separare la produzione di etanolo da quella di etilene, spiegando così la nostra difficoltà nell’ottenere una buona selettività del catalizzatore. Inoltre, abbiamo determinato il punto di diramazione in cui la reazione procede verso l’etanolo o l’etilene, un enorme vantaggio per il futuro in quanto ci consentirà di studiare modi per modificare la selettività», osserva Seger. Nel frattempo, i processi catalitici termici possono facilmente convertire queste specie, aggiungendo acqua all’etilene o rimuovendola dall’etanolo. La combinazione di studi sperimentali e computazionali ha portato a proficue ottimizzazioni del dispositivo. Prima di SELECTCO2, la CO2RR nelle celle di elettrolisi raggiungeva generalmente densità di corrente di circa 10 mA/cm2 per esperimenti di un’ora su scala di laboratorio. SELECTCO2 ha compiuto passi da gigante con densità di corrente superiori a 200 mA/cm2, raggiungendo persino più di 1 000 mA/cm2, e una durata di oltre 100 ore. «Abbiamo sviluppato membrane a scambio anionico di classe mondiale, conduttive come le membrane commerciali, ma in grado di operare a temperature maggiori e più robuste dal punto di vista meccanico. I nostri elettrodi a diffusione di gas hanno mostrato prestazioni eccellenti rispetto ai benchmark commerciali e stiamo ora lavorando per brevettarli. Infine, abbiamo migliorato con successo l’attività dei nostri elettrocatalizzatori CO2-a-CO utilizzando catalizzatori a sito singolo. Adesso sono tra i più attivi e selettivi attualmente disponibili», spiega Seger. Questa svolta nelle prestazioni porta l’elettrolisi CO2RR sostenibile in grado di mitigare la CO2 fuori dal laboratorio e più vicina all’entrata nel mercato.
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