Il nanosilver come elettrocatalizzatore per la riduzione della CO₂
La cella elettrolitica produce contemporaneamente CO, idrogeno e acido formico
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Tramite l’elettrolisi, la CO₂ può essere ridotta a CO, una materia prima per ulteriori prodotti chimici quali i combustibili. Nell’ambito del progetto GreenQuest, un team internazionale guidato dal chimico dell’HZB Prashanth Menezes ha ora studiato sistematicamente gli strati catalitici costituiti da nanoparticelle d’argento, variando sia la dimensione delle particelle che la loro densità. La resa migliore è stata ottenuta con nanoparticelle di diametro pari a circa 10 nm, distribuite in modo non compatto. Inoltre, il team ha dimostrato come sia possibile migliorare l’efficienza economica della cella elettrochimica integrando una reazione chimica aggiuntiva all’anodo, consentendo la produzione simultanea di acido formico, idrogeno e CO in un unico dispositivo.
Le nanoparticelle d’argento con diametri di circa 10 nm offrono le migliori prestazioni come elettrocatalizzatori. Le particelle d’argento vengono spruzzate sull’elettrodo insieme a una polvere di carbonio conduttiva. La miscela ideale è composta dal 20% in massa di argento e dall’80% in massa di polvere di carbonio. Questa immagine è stata acquisita utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione (TEM).
© HZB
Il gas serra CO₂ può essere ridotto elettroliticamente a monossido di carbonio (CO) utilizzando energia elettrica. Nelle fasi successive, il CO e l’H₂ generati attraverso processi elettrochimici formano il syngas, che viene successivamente convertito in DME e ulteriormente trasformato cataliticamente in LFG verde, composto principalmente da propano (C₃H₈) e butano (C₄H₁₀). A condizione che l’energia elettrica necessaria per l’elettrolisi sia generata da energia solare o eolica, questa tecnologia può essere considerata a emissioni zero, poiché la CO₂ viene, per così dire, riciclata. I team dell’HZB stanno collaborando con istituzioni partner in Sudafrica su questa tecnologia nell’ambito del progetto GreenQUEST. Il loro obiettivo è sviluppare un combustibile da cucina “verde” (gLFG) economico e sostenibile come alternativa più pulita alla tradizionale cottura a biomassa, in particolare nelle regioni rurali del Sudafrica dove la legna da ardere rimane un’importante fonte di energia domestica.
Un team guidato dal dott. Prashanth Menezes presso l’HZB ha ora dimostrato un modo per migliorare l’efficienza e l’economicità della riduzione elettrolitica della CO₂ in CO. Il team ha studiato sistematicamente strati catalitici costituiti da nanoparticelle d’argento, variando sia la dimensione delle particelle sia la loro densità su un materiale a base di polvere di carbonio che ricopre l’elettrodo di carbonio.
«Sapevamo già che nanoparticelle troppo piccole favoriscono l’evoluzione dell’idrogeno, il che riduce la resa di monossido di carbonio. Al contrario, nanoparticelle troppo grandi sono meno attive dal punto di vista catalitico. Volevamo individuare il punto di equilibrio esatto”, afferma il dott. Niklas Hausmann, coautore dello studio. La loro ricerca dimostra che la resa migliore è stata ottenuta con nanoparticelle di diametro di circa 10 nm, distribuite in modo sparso sul materiale di carbonio (0,2 mg per centimetro quadrato di elettrodo).
Un secondo passo ha portato a un ulteriore miglioramento: mentre al catodo l’anidride carbonica viene ridotta a monossido di carbonio, all’anodo avviene normalmente una reazione di evoluzione dell’ossigeno. Questa reazione consuma una grande quantità di energia, che deve essere fornita dall’elettricità, e produce solo ossigeno, che non ha alcun valore economico. Il team ha ora dimostrato che, aggiungendo aldeidi all’elettrolita, la reazione di evoluzione dell’ossigeno può essere sostituita da una reazione di ossidazione delle aldeidi. Ciò riduce il consumo energetico dell’intero processo di oltre il 30 %. Inoltre, al posto dell’ossigeno, si producono idrogeno gassoso utile e acidi carbossilici di valore, come l’acido formico.
Il catalizzatore ottimizzato a base di nanoparticelle d’argento ha mostrato un’efficienza faradaica di quasi il 100 % per il CO per un periodo straordinariamente lungo di 100 ore. Le analisi condotte mediante spettroscopia fotoelettronica a raggi X hanno confermato che la struttura elettronica e chimica delle particelle d’argento attive rimane sostanzialmente stabile durante il funzionamento.
«Se combiniamo la produzione di CO con la generazione di idrogeno e la formazione simultanea di altre sostanze chimiche a valore aggiunto, come l’acido formico, possiamo migliorare il valore complessivo del processo elettrochimico. La CO e l’idrogeno possono fungere da elementi costitutivi per la successiva produzione di combustibili e sostanze chimiche sostenibili», afferma Menezes.
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