Utilizzare l'anidride carbonica come materia prima

Chimici dell'Università Tecnica di Berlino sotto la guida del Prof. Dr. Peter Strasser del dipartimento di “Elettrochimica e Materiali” si sono ispirati alla biocatalisi per sviluppare un nuovo catalizzatore per la riduzione dell'anidride carbonica.

L'anidride carbonica (CO2) è ampiamente conosciuta come un gas nocivo per il clima. La domanda ricorrente è se e come questo gas possa essere utilizzato anche come materia prima. Un tema che, tra l'altro, interessa le industrie che, ad esempio, necessitano di grandi quantità di monossido di carbonio (CO) per la produzione di policarbonato o poliuretano. Si tratta di plastiche termoplastiche utilizzate, ad esempio, nella produzione di CD, occhiali e vetri di protezione (policarbonato) o di schiume, cruscotti e schiuma (poliuretano).

“Il monossido di carbonio richiesto nel processo di produzione viene finora ottenuto dal metano, un combustibile fossile”, spiega il Prof. Dr. Peter Strasser dell'Università Tecnica di Berlino. “Un processo che non solo consuma combustibili fossili, ma produce anche anidride carbonica in più. La domanda era se fosse necessario estrarre il monossido di carbonio dal metano o se ci fosse un modo efficace per ottenerlo direttamente dalla CO2? La risposta è: sì, si può fare elettrochimicamente, e questo processo è attualmente oggetto di intensi studi, anche da parte di partner industriali come l'azienda Covestro. Il problema: il miglior catalizzatore finora conosciuto per questa elettrolisi è ancora relativamente poco specifico e richiede, oltre all'oro o all'argento nel suo centro reattivo, rendendo il processo piuttosto costoso.”

In un progetto comunitario finanziato nell'ambito di Horizon2020, condotto dall'Università Tecnica di Dresda, dall'Università Ruhr di Bochum, dall'Università di Copenaghen e dall'Università Tecnica di Berlino come capofila, il gruppo di lavoro di Peter Strasser si è occupato di un catalizzatore bioispirato, il cui centro attivo si ispira a quello dell'emoglobina, il cosiddetto porfirina. Questo contiene nel suo centro attivo quattro atomi di azoto e un atomo di metallo al centro. Esattamente questo centro attivo è stato prodotto come solido. Già erano state fatte previsioni teoriche che questi motivi di porfirina potessero ridurre elettrochimicamente non solo l'ossigeno, ma anche produrre molto selettivamente monossido di carbonio dal diossido di carbonio. Uno dei pochi sottoprodotti è, ad esempio, l'idrogeno. Il ruolo decisivo è svolto dal metallo centrale. Questo si lega alla molecola di CO2 e la trasforma, attraverso varie fasi intermedie, in monossido di carbonio. L'efficacia di questa produzione di CO dipende molto dal metallo presente nel centro attivo del catalizzatore.

“Abbiamo studiato, tra gli altri, il nichel e il ferro come atomi centrali nel catalizzatore. Il nichel, ad esempio, è un derivato particolarmente interessante, poiché lega debolmente il monossido di carbonio e lo rilascia facilmente come gas. Se invece il centro attivo contiene ferro, la produzione di monossido di carbonio inizialmente è più alta rispetto al nichel, ma il CO prodotto si lega molto più saldamente. Di conseguenza, il catalizzatore si blocca più rapidamente. Confrontando i vari derivati del catalizzatore, abbiamo potuto dimostrare che, almeno su scala di laboratorio, un catalizzatore composto al 99% di carbonio con il nichel nel suo centro attivo produce in modo più efficace e selettivo monossido di carbonio dal diossido di carbonio rispetto ai catalizzatori di oro e argento conosciuti”, spiega Peter Strasser i risultati degli esperimenti.

Finora questi catalizzatori sono stati studiati in laboratorio, ma ora vengono prodotti in grammi e testati presso il partner industriale Covestro in un impianto di prova in miniatura.

Understanding activity and selectivity of metal-nitrogen-doped carbon catalysts for electrochemical reduction of CO2
Wen Ju, Alexander Bagger, Guang-Ping Hao, Ana Sofia Varela, Ilya Sinev, Volodymyr Bon, Beatriz Roldan Cuenya, Stefan Kaskel, Jan Rossmeisl & Peter Strasser
Nature Communications 8, Article number: 944(2017), DOI:10.1038/s41467-017-01035-z