Dal “cracking” più pulito all’oro nero

Mentre cercava un modo più pulito ed efficiente per produrre etilene, Twizerimana aveva scoperto il nuovo “oro nero”, come viene chiamata la grafite nei settori dell’alta tecnologia e dell’automotive. Questa grafite è un ingrediente fondamentale delle batterie agli ioni di litio, essenziali per i veicoli elettrici, l’elettronica moderna e lo stoccaggio di energia verde. Tuttavia, gli attuali metodi di produzione della grafite, che richiedono temperature di 3.000 °C, sono tutt’altro che efficienti dal punto di vista energetico e oggi il 95% del materiale proviene dalla Cina.  

Riconoscendo la necessità di produrre grafite e idrogeno a livello nazionale in modo più efficiente, il team della Pitt composto da Veser e Twizerimana, insieme al professore assistente Mohammad Masnadi e al dottorando Nader Sawtarie, ha depositato una domanda di brevetto provvisorio e ha lanciato la startup Graphonos Materials (precedentemente Grapheon). L’azienda ha dimostrato la sua tecnologia innovativa in laboratorio e ha attirato l’attenzione degli investitori in capitale di rischio, da ultimo in occasione della Rice Business Plan Competition, dove ha vinto un Aramco Innovator Prize del valore di 20.000 dollari.

Una scoperta inaspettata

«Un ostacolo alla transizione verso un’energia più pulita è l’atteggiamento secondo cui o si è a favore o si è contro le energie rinnovabili», ha affermato Veser, professore di ingegneria chimica e petrolifera presso la Swanson School e Leonard Peters Faculty Fellow nel programma Covestro Circular Economy. «La mia ricerca esplora modi per collegare la lavorazione dei combustibili fossili a un futuro più sostenibile, sostenendo questa transizione». 

Insieme a Masnadi, che ora ricopre anche il ruolo di responsabile della sostenibilità presso Graphonos Materials, Veser sta studiando nuovi metodi per separare, o “crackare”, l’etano, uno dei principali componenti del gas naturale presente nella Pennsylvania occidentale. La scissione dell’etano in etilene richiede calore e genera carbonio solido a causa di reazioni collaterali; l’approccio più comune prevede l’immissione di vapore in un reattore per evitare l’ostruzione dei tubi del reattore.

«Si tratta di un processo ad alto consumo energetico e ad elevate emissioni, in cui l’accumulo di carbonio nel reattore richiede regolari arresti dell’impianto per la pulizia», ha affermato Veser, che ricopre anche il ruolo di Chief Technology Officer di Graphonos Materials. «Alla ricerca di un’alternativa più pulita, ci siamo orientati verso la catalisi a metallo fuso, una tecnica non ancora ampiamente diffusa ma che esiste già da quasi un secolo».

Invece di utilizzare un catalizzatore metallico solido, i ricercatori hanno fatto passare l’etano attraverso il metallo fuso, dove avviene la deidrogenazione. «I metalli fusi presentano un vantaggio straordinario», ha affermato Masnadi. «A causa dell’estrema densità dei metalli liquidi, il carbonio galleggia e si deposita sulla superficie».

Per la sua ricerca di dottorato, Twizerimana, ora amministratore delegato di Graphonos Materials e ricercatore post-dottorato presso la Swanson School, stava studiando questo processo. Come ha affermato: «Ero verso la fine del mio dottorato e mi sono reso conto che, con alcuni dei metalli che utilizzavamo, il carbonio che si formava aveva un aspetto diverso, più soffice. Abbiamo deciso di esaminare la questione più da vicino».

Twizerimana si è rivolto a Sawtarie, un collega studente di dottorato che stava conducendo ricerche sulle proprietà uniche dei metalli 2D presso il Nanoionics and Electronics Lab della professoressa Susan Fullerton. «Parte della mia ricerca di dottorato riguardava il grafene, una forma di grafite», ha affermato Sawtarie, responsabile dei prodotti presso Graphonos Materials. «Ho caratterizzato il sottoprodotto, che si è rivelato incredibilmente prezioso».

Un viaggio al “Super Bowl”

«Mentre cercavamo nuovi modi per scindere l’etano, abbiamo scoperto che potevamo produrre grafite di qualità per batterie riscaldando l’etano a temperature inferiori a 1.000 °C», ha spiegato Twizerimana. «Produciamo grafite con un processo più sostenibile ed economicamente competitivo, in cui l’idrogeno viene generato come prezioso coprodotto».

La maggior parte della grafite adatta alle batterie viene oggi prodotta in Cina attraverso un processo estremamente dispendioso in termini energetici. Il coke di petrolio cristallino, chiamato “coke ad ago”, viene riscaldato a 3.000 °C in un processo discontinuo molto lento, in cui un singolo lotto può richiedere fino a tre settimane. Esistono produttori nazionali di grafite che utilizzano questo processo ad alta intensità energetica, ma la grafite è più costosa rispetto a quella cinese, che domina il mercato. 

Il team della Pitt ha sviluppato e convalidato un processo che ha coinvolto due laboratori della Swanson School e ha prodotto due ingredienti chiave per un futuro energetico più pulito. Al momento del lancio di Graphonos Materials, hanno trovato un prezioso sostegno presso il Big Idea Center della Pitt. Il Centro aiuta gli studenti e i docenti imprenditori a realizzare le loro idee, a sviluppare e a presentare le loro proposte.

Questo sostegno avrebbe contribuito a portare Graphonos Materials a quello che il professor Christopher Wilmer della Pitt definisce «il Super Bowl delle competizioni di presentazione». Tra gli oltre 550 team di tutto il mondo che hanno presentato domanda per partecipare alla Rice Business Plan Competition, 41 sono stati selezionati insieme a Graphonos Materials.

Lo scorso aprile, durante la competizione, sono stati uno dei 15 team a raggiungere le semifinali e uno dei due team ad aggiudicarsi l’Aramco Innovator Prize da 20.000 dollari. Secondo Aramco Ventures, questo premio «riconosce le soluzioni più lungimiranti e di grande impatto della competizione di quest’anno e celebra gli imprenditori che incarnano questo spirito di scoperta ed eccellenza tecnica».

All’Università di Pittsburgh, il team ha vinto anche il Gran Premio della Big Idea Competition, del valore di 25.000 dollari. Nel loro insieme, questi premi hanno dato conferma del valore del loro lavoro e del suo potenziale nel trasformare il modo in cui vengono prodotti la grafite e l’idrogeno. «Abbiamo capito che sul mercato c’è una forte domanda di grafite sostenibile e a basso costo», ha affermato Twizerimana. «Ora è il momento giusto per soddisfarla».

«Stiamo raccogliendo fondi per sviluppare il nostro primo sistema su scala di laboratorio completamente integrato, che ci consentirà di produrre chilogrammi al giorno e ci fornirà le basi ingegneristiche per progettare un impianto pilota», ha affermato Veser. Se l’iniziativa avrà successo, consentirà al team di trasformare l’etano della Pennsylvania occidentale in due prodotti essenziali per la transizione verso un’energia più pulita, proprio qui a Pittsburgh.