Una strategia per multare

Funzionalità del 3 novembre 2022

di Ingrid Fadelli, Phys.org

Negli ultimi anni, molti ingegneri e scienziati dei materiali hanno cercato di sviluppare soluzioni energetiche sostenibili che potrebbero aiutare a mitigare il cambiamento climatico sulla Terra. Ciò include le tecnologie di cattura del carbonio, progettate specificamente per catturare o assorbire l’anidride carbonica (CO2) nei siti in cui viene ampiamente prodotta, come impianti di produzione di energia o strutture industriali che si basano sulla biomassa o sulla combustione di combustibili fossili.

Mentre alcune soluzioni di cattura del carbonio hanno ottenuto risultati promettenti, quelle basate su metodi convenzionali di lavaggio chimico a umido che utilizzano ammine sp3 spesso consumano troppa energia e sono soggette a corrosione e degradazione del sorbente. Ciò limita in modo significativo la loro implementazione diffusa, evidenziando la necessità di strategie alternative di separazione della CO2.

I ricercatori della Johns Hopkins University, dell'Università del Texas ad Austin e del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno recentemente introdotto una serie di basi di Lewis sintonizzabili sul sistema redox (cioè molecole con una coppia solitaria di elettroni che possono essere donate a un legame covalente coordinato ) con centri di azoto sp2 che possono catturare e rilasciare reversibilmente CO2. Nel loro articolo, pubblicato su Nature Energy, delineano anche strategie per mettere a punto le proprietà di queste basi Lewis.

"Abbiamo dimostrato una libreria di basi Lewis redox-sintonizzabili con centri di azoto sp2 che possono catturare e rilasciare in modo reversibile l'anidride carbonica attraverso un ciclo elettrochimico", hanno scritto Xing Li, Xunhua Zhao, Yuanyue Liu, T. Alan Hatton e Yayuan Liu nel loro articolo . "Il meccanismo del processo di cattura del carbonio viene chiarito attraverso un approccio combinato sperimentale e computazionale."

Il recente lavoro dei ricercatori si basa sull'idea che, grazie alla loro affinità con la CO2, le basi di Lewis con centri di azoto sp2 redox-attivi potrebbero essere modulate utilizzando potenziali elettrochimici, consentendo lo sviluppo di soluzioni alternative e più efficaci per la cattura del carbonio. Per verificare questa ipotesi, i ricercatori hanno compilato una libreria di basi organiche contenenti centri di azoto sp2, tra cui piradina, diazina, tiadizolo e porzioni azoiche.

"Mentre si trovano nella forma ossidata, nessuno di questi composti mostra forti interazioni con la CO2", hanno scritto i ricercatori nel loro articolo. "Tuttavia, la loro elettroriduzione e il successivo comportamento di ossidazione possono essere drasticamente modulati dalla presenza di CO2 nell'elettrolita."

Li e i suoi colleghi hanno delineato chiaramente il meccanismo che consente agli assorbenti a base di Lewis di catturare il carbonio sia nelle simulazioni computazionali che negli esperimenti. Successivamente, hanno dimostrato che le proprietà di questi assorbenti possono essere perfezionate (cioè adattate per usi specifici) utilizzando sia metodi di progettazione molecolare che di ingegneria degli elettroliti. Mettendo a punto le proprietà delle basi di Lewis che hanno creato, i ricercatori sono stati quindi in grado di identificare una base di Lewis particolarmente promettente basata sull'azopiridina bifunzionale.

"Identifichiamo una base di azopiridina bifunzionale che è promettente per la cattura del carbonio mediata elettrochimicamente, esibendo un'efficienza di utilizzo della capacità> 85% rispetto al ciclo in un sistema di flusso sotto il 15% di anidride carbonica con il 5% di ossigeno", hanno scritto Li e i suoi colleghi nel loro articolo. "Questo lavoro amplia la portata strutturale degli assorbenti di anidride carbonica redox-attivi e fornisce linee guida di progettazione su molecole con basicità regolabile in condizioni elettrochimiche."

In futuro, la base bifunzionale di azopiridina identificata da Li e dai suoi colleghi potrebbe essere utilizzata per creare tecnologie di cattura del carbonio più efficienti ed efficaci dal punto di vista energetico. Inoltre, il loro lavoro potrebbe aprire la strada allo sviluppo di altre soluzioni per la cattura del carbonio basate su assorbenti a base di Lewis.

Maggiori informazioni: Xing Li et al, Basi Lewis sintonizzabili per Redox per la cattura elettrochimica dell'anidride carbonica, Nature Energy (2022). DOI: 10.1038/s41560-022-01137-z