La lotta contro le emissioni di gas serra richiede soluzioni innovative per catturare e trasformare la CO2 in materiali utili, come combustibili, prodotti chimici o persino materiali da costruzione. Come quella appena sviluppata da un team di ingegneri del MIT, che potrebbe rivoluzionare questo processo, rendendolo più efficiente e scalabile, e quindi più facile.
Il problema del trasformare la CO2 in prodotti utili
Facciamo però qualche premessa, anzi partiamo da zero. Come giustamente fa notare il professor Kripa Varanasi, coautore dello studio, “il problema della CO2 è una delle sfide più grandi del nostro tempo. Dobbiamo trovare modi pratici per rimuoverla e trasformarla in qualcosa di utile“.
E modi del genere ci sono, infatti in una nota il MIT ha spiegato che già oggi è disponibile un’ampia varietà di sistemi per trasformare la CO2 in un prodotto chimico utile. Ma quanti di questi sono sostenibili economicamente e al tempo stesso efficienti?
Non molti, anche perché il problema è alla fonte: i materiali degli elettrodi che vengono utilizzati nel processo. Essi devono avere due caratteristiche fondamentali: una buona conduttività elettrica per evitare dispersioni di energia, e un’elevata idrorepellenza per impedire infiltrazioni della soluzione acquosa che interferiscono con le reazioni chimiche.
Un compromesso difficile, ma realizzabile, come hanno dimostrato quelli del MIT nella loro ricerca pubblicata sulla rivista Nature Communications.
Dal MIT un’idea semplice ma rivoluzionaria
Al centro della ricerca del MIT c’è lo sviluppo di un design avanzato per gli elettrodi che vengono impiegati nei sistemi elettrochimici che trasformano la CO2 in composti chimici ad alto valore aggiunto. Come l’etilene, un materiale chiave per la produzione di plastica e carburanti (ma vale anche per altri prodotti chimici di alto valore, tra cui metano, metanolo, e monossido di carbonio).
Sostanzialmente il processo elettrochimico che converte la CO2 in etilene prevede una soluzione a base di acqua e un materiale catalitico, che entrano in contatto insieme a una corrente elettrica in un dispositivo chiamato elettrodo. Ma dato il sopraccitato problema del conflitto conduttività-idrorepellenza nei materiali degli elettrodi, teoricamente questo metodo sarebbe inefficace.
A meno che, come hanno fatto i ricercatori del MIT guidati dal dottorando Simon Rufer, non venga utilizzato il PTFE. Comunemente noto come Teflon, esso è altamente idrorepellente, ma purtroppo poco conduttivo. Se però lo si intrecciasse con sottili fili di rame, come afferma Rufer, “ci permetterebbe di ottenere sia conduttività che idrorepellenza“. E questo perché il rame, essendo un ottimo conduttore, crea una sorta di “autostrada per gli elettroni,” migliorando l’efficienza del processo. Inoltre, il tessuto intrecciato suddivide il materiale in piccole sezioni, ognuna delle quali si comporta come un elettrodo più piccolo, ottimizzando così la resa.
Efficienza, scalabilità e anche flessibilità
Ma non basta. Oltre al problema dell’efficienza, un’altra sfida importante nella ricerca sui sistemi di conversione della CO2 è la scalabilità. Gli esperimenti tradizionali sono infatti spesso limitati a campioni di pochi centimetri quadrati, mentre le applicazioni industriali richiedono elettrodi molto più grandi. Ed è un problema, visto che per affrontare il riscaldamento globale, come afferma la stessa Varanasi, “abbiamo bisogno di processare gigatonnellate di CO2 ogni anno […]. È fondamentale trovare soluzioni che possano essere scalabili.”
Per efficientare la scalabilità della soluzione, il team del MIT ha realizzato un elettrodo dieci volte più grande rispetto ai modelli standard di laboratorio, dimostrando che il nuovo design può essere ampliato senza sacrificare l’efficienza. Gli stessi test danno conferma della bontà della soluzione: l’elettrodo ha infatti mantenuto prestazioni costanti per oltre 75 ore di funzionamento continuo, dimostrando una robustezza ideale per un utilizzo su larga scala. Inoltre, i ricercatori hanno sviluppato un modello matematico per ottimizzare la distanza tra i fili di rame, riducendo le perdite di conduttività man mano che la dimensione dell’elettrodo aumenta.
In conclusione, l’innovazione del MIT garantisce efficienza, convenienza, scalabilità e (per finire) anche flessibilità. “La nostra soluzione non dipende dal tipo di catalizzatore utilizzato,” spiega Rufer. “Puoi intrecciare questi fili di rame in qualsiasi elettrodo a diffusione di gas, indipendentemente dalla morfologia o dalla chimica del catalizzatore”. Ciò significa che il design può essere adattato per produrre una vasta gamma di composti chimici, come metano, metanolo e monossido di carbonio. Inoltre, il processo di produzione degli elettrodi può essere facilmente integrato nelle linee di produzione esistenti, rendendo il passaggio alla scala industriale più semplice e rapido.
