Un nuovo catalizzatore in rame converte l’anidride carbonica in acetaldeide con un’efficienza del 92%: un’alternativa ecologica per l’industria chimica

L’acetaldeide è una sostanza chimica largamente utilizzata nella produzione industriale: si trova per esempio nei profumi, nei coloranti, nella plastica e in alcuni tessuti. Questa molecola, però, viene attualmente prodotta dall’etilene, un prodotto petrolchimico, attraverso un metodo di sintesi che non solo presenta un’importante impronta di carbonio, ma richiede anche molte risorse – cosa che lo rende insostenibile sul lungo periodo.

Un team internazionale di ricercatori dell’EPFL, dell’Università di Copenaghen e dell’Università di Shanghai ha sviluppato un innovativo catalizzatore in rame che permette di ottenere questa sostanza a partire dall’anidride carbonica, affrontando così contemporaneamente due questioni fondamentali: la riduzione delle emissioni di CO2 e la creazione di prodotti chimici di valore.

Una soluzione ecologica per la produzione di acetaldeide

A livello industriale, l’acetaldeide viene utilizzata per la produzione di qualsiasi cosa, dai profumi alla plastica. Questa molecola, che si trova in natura nei frutti maturi e a volte anche nel nostro fegato, è utilizzata nell’industria chimica per la sintesi di diversi prodotti, tra cui l’acido acetico e il butanolo.

La sua produzione, però, si basa in gran parte sull’etilene, un idrocarburo da cui si ottiene, tra le altre cose, il polietilene. Le crescenti preoccupazioni ambientali stanno inevitabilmente spingendo l’industria chimica a ridurre la sua dipendenza dai combustibili fossili, perciò gli scienziati hanno iniziato a cercare metodi più sostenibili per la produzione dell’acetaldeide.

Attualmente, questa molecola si ottiene attraverso il cosiddetto “processo Wacker”, un metodo di sintesi chimica che utilizza l’etilene ricavato dal petrolio e dal gas naturale insieme ad altre sostanze chimiche, come l’acido cloridrico. Si tratta di un processo non sostenibile a lungo, in quanto richiede molte risorse e produce una gran quantità di emissioni di gas serra.

Tra le soluzioni più promettenti a questo problema c’è la riduzione elettrochimica dell’anidride carbonica in prodotti utili, come combustibili e molecole utilizzate per i processi industriali. Un approccio che riesce ad affrontare in una volta due problemi ambientali cruciali: la riduzione delle emissioni di CO2 nell’atmosfera e la creazione di prodotti chimici di valore con metodi più sostenibili.

Un catalizzatore in rame per processi industriali più sostenibili

I catalizzatori a base di rame hanno mostrato un certo potenziale nella trasformazione della CO2 in prodotti utili, ma fino a oggi hanno mostrato un’importante limitazione legata alla bassa selettività del processo: significa che i catalizzatori funzionano, ma invece di produrre l’acetaldeide generano una miscela di diversi prodotti.

Ora, però, gli scienziati di un consorzio pubblico-privato guidati da Cedric David Koolen nel gruppo di Andreas Züttel dell’EPFL, Jack K. Pedersen dell’Università di Copenhagen e Wen Luo dell’Università di Shanghai, sono riusciti a sviluppare un nuovo catalizzatore a base di rame in grado di convertire selettivamente la CO2 in acetaldeide con un’efficienza impressionante, che supera il 90%.

La scoperta, pubblicata sulla rivista “Nature Synthesis”, fornisce un metodo più ecologico e sostenibile per la produzione di acetaldeide, e potrebbe sostituire il dispendioso processo Wacker. Inoltre, spiegano gli scienziati, il nuovo catalizzatore è economico e facilmente scalabile, quindi potrebbe essere adottato in diverse applicazioni industriali. Come spiega Koolen,

“Il processo Wacker non è cambiato negli ultimi 60 anni. Si basa ancora sulla stessa chimica di base. I tempi erano maturi per una svolta ecologica”.

Acetaldeide dalla CO2 con una selettività del 92%

I ricercatori hanno iniziato a sintetizzare minuscoli cluster di particelle di rame, ciascuno di circa 1,6 nanometri, utilizzando un metodo chiamato ablazione laser (spark ablation). Questa tecnica prevede la vaporizzazione di elettrodi di rame in un ambiente di gas inerte e ha permesso agli scienziati di controllare con precisione le dimensioni delle particelle. I cluster di rame sono stati quindi immobilizzati su supporti di carbonio per creare un catalizzatore stabile e riutilizzabile.

In laboratorio, il team ha testato le prestazioni del catalizzatore sottoponendolo a una serie di reazioni elettrochimiche con la CO2 in ambiente controllato. Utilizzando un sincrotrone (una struttura su larga scala che genera una fonte di luce molto intensa) il team si è quindi assicurato che i cluster di rame stessero convertendo attivamente la CO2 in acetaldeide mediante una tecnica chiamata spettroscopia di assorbimento di raggi X.

I cluster di rame, spiegano i ricercatori, hanno raggiunto una selettività del 92% per l’acetaldeide a una tensione relativamente bassa, essenziale per l’efficienza energetica. In uno stress test durato 30 ore, il catalizzatore ha dimostrato un’elevata stabilità, mantenendo le sue prestazioni per diversi cicli.

I ricercatori hanno anche scoperto che le particelle di rame hanno mantenuto la loro natura metallica durante tutta la reazione, il che contribuisce notevolmente alla longevità del catalizzatore:

“Ciò che ci ha davvero sorpreso è che il rame è rimasto metallico, anche dopo la rimozione del potenziale e l’esposizione all’aria. Il rame di solito 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”,

afferma Wen Luo, tra gli autori dello studio.

Verso una chimica industriale più ecologica

Come mai il nuovo catalizzatore in rame ha funzionato così bene? Le simulazioni computazionali, spiegano i ricercatori, hanno mostrato che i cluster di rame presentano una specifica configurazione di atomi che favorisce il legame e la trasformazione delle molecole di CO2 in acetaldeide rispetto ad altri possibili prodotti, come etanolo o metano.

Come spiega Jack K. Pedersen, co-autore della ricerca,

“Il bello del nostro processo è che può essere applicato a qualsiasi altro sistema di catalizzatori. Con il nostro quadro computazionale, possiamo rapidamente vagliare i cluster in base alle loro caratteristiche promettenti. Se si tratta di riduzione della CO2 o di elettrolisi dell’acqua, con l’ablazione a scintilla possiamo produrre il nuovo materiale con facilità e testarlo direttamente in laboratorio. Questo è molto più veloce del tipico ciclo di prova-apprendimento-ripetizione”.

Il nuovo catalizzatore in rame rappresenta un passo significativo verso una chimica industriale più ecologica. Se scalato, spiegano gli scienziati, potrebbe sostituire il processo Wacker, riducendo la dipendenza dalle fonti fossili e le emissioni di CO2. L’acetaldeide è utilizzata per la sintesi di moltissimi prodotti chimici, perciò questa ricerca ha il potenziale per trasformare diversi settori industriali, da quello farmaceutico a quello agricolo.

Ecco tre approfondimenti che potrebbero interessarti:

Nuovi combustibili dalla fotosintesi artificiale su bolle di sapone
Trasformare le emissioni di carbonio in metano
Il Sacro Graal della chimica verde: fluorochimici privi di tossicità