Creare combustibili dalla luce solare
"Funziona come una staffetta perfettamente sincronizzata"
L'oceano è il più grande serbatoio dinamico di carbonio della Terra e assorbe 400 milioni di tonnellate di anidride carbonica (CO₂) all'anno grazie al continuo scambio con l'atmosfera. I ricercatori di Yale hanno ora sviluppato un sistema efficiente per estrarre e convertire la CO₂ disciolta in carburanti puliti e utili materie prime industriali. Pubblicata su Nature Communications, questa scoperta potrebbe trasformare l'acqua di mare in una fonte sostenibile di prodotti a base di carbonio, contribuendo al contempo a bilanciare i livelli di CO₂ negli oceani.
Il professor Shu Hu, del dipartimento di ingegneria chimica e ambientale e membro dello Yale Energy Sciences Institute, ha guidato il progetto e descrive il sistema come una "cattura e conversione del carbonio guidata dall'energia solare e basata sull'oceano". O, più semplicemente, si tratta di produrre "combustibili dalla luce del sole". Il team utilizza la luce solare per trasformare il carbonio disciolto nell'acqua di mare in syngas, un gas di sintesi composto da monossido di carbonio (CO) e idrogeno. Questo versatile composto è un elemento chiave per la produzione di prodotti chimici e carburanti industriali.
I precedenti tentativi di sfruttare l'energia solare per convertire il carbonio disciolto nell'acqua di mare in prodotti utili hanno dovuto affrontare sfide significative. La concentrazione estremamente bassa di ioni carbonato nell'acqua di mare rende difficile ottenere un'elevata efficienza energetica e una formazione selettiva dei prodotti. Inoltre, i reattori esistenti sono limitati a esperimenti su scala di laboratorio. Oltre ai catalizzatori, per utilizzare veramente l'anidride carbonica dall'acqua di mare è necessario un progetto di reattore in grado di funzionare in modo continuo e su larga scala.
Sulla base dell'esperienza del gruppo Hu nella progettazione della fotocatalisi e del reattore che massimizza l'uso della luce per la trasformazione chimica, hanno sviluppato un nuovo dispositivo fotoelettrochimico. Utilizza solo la luce solare per trasformare il carbonio disciolto nell'acqua di mare, principalmente bicarbonato, in syngas. Il processo imita il funzionamento della fotosintesi negli ecosistemi oceanici e raggiunge un'efficienza di conversione solare in carburante dello 0,71%, simile a quella delle alghe marine. Ancora più sorprendente è la scoperta del team che, nonostante la concentrazione prossima allo zero di carbonato nell'acqua di mare, la selettività della reazione può essere drammaticamente influenzata dal campo di flusso all'interno del reattore. In acqua di mare statica, il contenuto di CO nel prodotto era appena del 3%. Tuttavia, nelle condizioni di flusso controllato all'interno del reattore, la percentuale di CO è salita al 21%.
"Funziona come una staffetta perfettamente sincronizzata", ha spiegato Xiang Shi, coautore dello studio e studente laureato nel laboratorio di Hu. "L'anodo passa protoni e CO₂ al catodo, che poi corre verso il traguardo della conversione. Questo lavoro di squadra porta l'intera reazione al suo completamento in modo efficiente. Abbiamo ottenuto questo risultato progettando il reattore in modo che il flusso passi prima attraverso gli anodi, dove l'acqua viene ossidata e vengono rilasciati protoni. Questi protoni vengono trasportati dal flusso, innescando una cascata di reazioni lungo il percorso che convertono il bicarbonato in CO₂ disciolta, che viene poi trasportata ai catodi a valle e ridotta".
Con questo approccio, hanno ingegnerizzato il processo di trasferimento di massa della reazione, regolando il flusso che raggiunge la superficie dell'elettrodo. In questo modo, non solo sono riusciti a rimuovere l'anidride carbonica dall'acqua di mare, ma hanno anche utilizzato la luce solare per generare carburante direttamente dall'oceano.
I ricercatori hanno in programma di perfezionare la tecnologia del sistema e di trasformarlo in un reattore industriale su larga scala. Il design modulare del reattore consente di assemblare queste celle di flusso in array galleggianti su scala quadrata. Questi reattori galleggianti sfruttano i movimenti naturali delle maree e le correnti oceaniche per far circolare passivamente l'acqua di mare attraverso il sistema. Mentre l'acqua di mare scorre attraverso i reattori, questi convertono continuamente la CO₂ disciolta in syngas sotto la luce del sole, che può essere raccolto e trasportato in impianti industriali per essere utilizzato a valle nella sintesi chimica o nella produzione di carburante.
"Speriamo di costruire reattori galleggianti su larga scala in mare, in modo da poter utilizzare direttamente la luce solare e l'acqua di mare per produrre combustibili solari", ha dichiarato Hu.
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