Dalla CO2 all'acetaldeide: sulla strada di una chimica industriale più verde
Questa innovazione affronta due problemi ambientali contemporaneamente
L'acetaldeide è una sostanza chimica fondamentale che viene utilizzata per la produzione di qualsiasi cosa, dai profumi alle materie plastiche. Oggi per produrla si utilizza principalmente l'etilene, un prodotto petrolchimico. Tuttavia, le crescenti preoccupazioni ambientali stanno costringendo l'industria chimica a ridurre la sua dipendenza dai combustibili fossili, motivo per cui gli scienziati stanno cercando metodi più ecologici per produrre l'acetaldeide.
Cedric David Koolen mostra un esempio di cella elettrochimica utilizzata in laboratorio per la ricerca di materiali per le energie rinnovabili.
EPFL
Attualmente, l'acetaldeide viene prodotta con il cosiddetto "processo Wacker", un metodo di sintesi chimica che utilizza l'etilene ricavato dal petrolio greggio e dal gas naturale con altre sostanze chimiche come acidi forti, ad esempio l'acido cloridrico. Il processo Wacker non solo ha una grande impronta di carbonio, ma è anche ad alta intensità di risorse e non è sostenibile a lungo termine.
Una soluzione promettente a questo problema è la riduzione elettrochimica dell'anidride carbonica(CO2) in prodotti utili. Poiché laCO2 è un prodotto di scarto che contribuisce al riscaldamento globale, questo approccio affronta due problemi ambientali contemporaneamente: Si riducono leemissioni di CO2 e si producono prodotti chimici di valore.
Un catalizzatore innovativo per una maggiore efficienza
I catalizzatori a base di rame si sono dimostrati potenzialmente adatti a questa conversione, ma finora hanno avuto problemi di bassa selettività - il che significa che producono una miscela di prodotti invece dell'acetaldeide desiderata.
Ora, gli scienziati di un consorzio pubblico-privato guidato da Cedric David Koolen nel gruppo di Andreas Züttel dell'EPFL, Jack K. Pedersen dell'Università di Copenaghen e Wen Luo dell'Università di Shanghai hanno sviluppato un nuovo catalizzatore a base di rame che può convertire selettivamente laCO2 in acetaldeidecon un'efficienza impressionante del 92%.
Questa scoperta, pubblicata su Nature Synthesis, offre un modo più ecologico e sostenibile di produrre acetaldeide e potrebbe sostituire il processo Wacker. Inoltre, il catalizzatore è scalabile e conveniente, aprendo le porte ad applicazioni industriali.
"Il processo Wacker non è praticamente cambiato negli ultimi 60 anni. Si basa ancora sulla stessa chimica di base. I tempi erano maturi per una svolta ecologica", afferma Koolen.
"Chimica affascinante"
I ricercatori hanno iniziato a sintetizzare minuscoli cluster di particelle di rame, ciascuno di circa 1,6 nanometri, utilizzando un metodo chiamato ablazione a scintilla. Questa tecnica prevede la vaporizzazione di elettrodi di rame in un ambiente di gas inerte, che ha permesso agli scienziati di controllare con precisione le dimensioni delle particelle. I cluster di rame sono stati poi immobilizzati su supporti di carbonio per creare un catalizzatore stabile e riutilizzabile.
In laboratorio, il team ha testato le prestazioni del catalizzatore eseguendo una serie di reazioni elettrochimiche con laCO2 in un ambiente controllato. Utilizzando un sincrotrone - una struttura su larga scala che produce una fonte di luce molto intensa - il team ha verificato che i cluster di rame stessero convertendo attivamente laCO2 in acetaldeide utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di assorbimento a raggi X.
I risultati sono stati notevoli. I cluster di rame hanno raggiunto una selettività del 92% per l'acetaldeide a una tensione relativamente bassa, fattore critico per l'efficienza energetica. In un test di stress di 30 ore, il catalizzatore ha mostrato un'elevata stabilità e ha mantenuto le sue prestazioni per diversi cicli. I ricercatori hanno anche scoperto che le particelle di rame hanno mantenuto il loro carattere metallico durante tutta la reazione, il che contribuisce alla longevità del catalizzatore.
"Ciò che ci ha davvero sorpreso è che il rame è rimasto metallico, anche dopo aver rimosso il potenziale e averlo esposto all'aria", afferma il coautore Wen Luo. "Normalmente il rame si ossida a dismisura, soprattutto quello così piccolo. Ma nel nostro caso, intorno al cluster si è formato un guscio di ossido che protegge il nucleo da un'ulteriore ossidazione. E questo spiega la riciclabilità del materiale. Una chimica affascinante".
La chiave del successo
Perché il nuovo catalizzatore ha funzionato così bene? Le simulazioni al computer hanno dimostrato che i cluster di rame hanno una configurazione specifica degli atomi che favorisce il legame e la conversione dellemolecole di CO2 in modo da favorire la produzione di acetaldeide rispetto ad altri possibili prodotti come etanolo o metano.
"Il bello del nostro metodo è che può essere applicato a qualsiasi altro sistema catalitico", spiega il coautore Jack K. Pedersen. "Con i nostri calcoli, possiamo analizzare rapidamente i cluster per individuare le proprietà promettenti. Sia per lariduzione della CO2 che per l'elettrolisi dell'acqua, con l'ablazione a scintilla possiamo facilmente produrre il nuovo materiale e testarlo direttamente in laboratorio. Questo è molto più veloce del tipico ciclo di prova-apprendimento-ripetizione.
Il nuovo catalizzatore di rame è un passo importante verso una chimica industriale più rispettosa dell'ambiente. Su scala più ampia, potrebbe sostituire il processo Wacker, riducendo la necessità di prodotti petrolchimici e leemissioni di CO2. Poiché l'acetaldeide è un elemento costitutivo di molti altri prodotti chimici, questa ricerca ha il potenziale per trasformare numerosi settori, da quello farmaceutico a quello agricolo.
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Pubblicazione originale
Cedric David Koolen, Jack Kirk Pedersen, Bernardus Zijlstra, Maximilian Winzely, Jie Zhang, Tobias V. Pfeiffer, Wilbert Vrijburg, Mo Li, Ayush Agarwal, Zohreh Akbari, Yasemen Kuddusi, Juan Herranz, Olga V. Safonova, Andreas Schmidt-Ott, Wen Luo, Andreas Zuettel; "Scalable synthesis of Cu-cluster catalysts via spark ablation for the electrochemical conversion of CO2 to acetaldehyde"; Nature Synthesis, 2025-1-3
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