È possibile riconvertire la CO2 in carburante o in altre sostanze chimiche utili - Assolutamente sì, ma non possiamo ancora controllare esattamente quali sostanze chimiche ne derivano. Il ricercatore dell’Empa Alessandro Senocrate è alla ricerca di difetti dei materiali che potrebbero aiutarci a farlo.
È possibile invertire facilmente la combustione di petrolio, gas naturale e carbone - Con una fonte di energia rinnovabile, un po’ d’acqua e un catalizzatore adatto, l’eccesso di CO2 nell’atmosfera terrestre potrebbe diventare una risorsa preziosa, ad esempio nella produzione di combustibili sintetici o "synfuels".
Questa idea promettente è oggetto di ricerca in tutto il mondo, anche all’Empa, perché metterla in pratica non è semplice. Prendendo ad esempio un catalizzatore di rame - il tipo di catalizzatore più studiato per la conversione dell’anidride carbonica - si possono ottenere fino a 20 molecole diverse, dal monossido di carbonio e dal metano al propanolo e all’acido acetico. "Alcuni di questi composti sono liquidi a temperatura ambiente, mentre altri sono gassosi", spiega il ricercatore dell’Empa Alessandro Senocrate. "È estremamente laborioso separare tutti questi prodotti gli uni dagli altri".
Alessandro Senocrate, che lavora nel laboratorio "Materials for Energy Conversion" sotto la direzione di Corsin Battaglia, intende dedicare la sua ricerca nei prossimi quattro anni alla soluzione di questo problema. Il progetto è finanziato da un "Ambizione Grant" del Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica (FNS) e fa parte del Centro Nazionale di Competenza per la Ricerca "NCCR Catalysis". L’obiettivo del progetto è sviluppare nuovi catalizzatori per la conversione di CO2. Per raggiungere questo obiettivo, Alessandro Senocrate non sta attaccando il materiale in sé, ma piuttosto i cosiddetti difetti. Un difetto si forma in un materiale cristallino, ad esempio quando un atomo manca dal reticolo cristallino o viene sostituito da un atomo estraneo. Questi siti conferiscono al materiale originale altre proprietà e possono quindi agire come centri attivi in cui avviene la catalisi chimica.
Inizialmente, il ricercatore vuole studiare quali difetti portano a quali prodotti di reazione. "Idealmente, questa conoscenza ci permetterà di progettare catalizzatori che, durante la conversione di CO2, forniscano molecole specifiche piuttosto che una miscela", spiega. Alcuni potenziali obiettivi sono di particolare interesse per l’industria. Tra questi, il monossido di carbonio e l’etilene. Queste molecole sono note come sostanze chimiche di piattaforma: sono le sostanze di base di molti processi chimici, compresa la produzione della maggior parte delle materie plastiche. "Abbiamo già una catena del valore completa per questi prodotti chimici di piattaforma", spiega Alessandro Senocrate. "Tuttavia, attualmente sono prodotti quasi esclusivamente dal petrolio. Sono quindi necessarie fonti alternative e più verdi per i prodotti chimici a base di carbonio, sia dalla conversione di CO2 che dalla biomassa.
Oltre alle materie plastiche, da questi prodotti chimici di piattaforma si possono ricavare anche i carburanti. Altri progetti di ricerca dell’Empa si concentrano sulla produzione di synfuels. "Le automobili possono essere elettrificate", spiega Alessandro Senocrate. "La questione è diversa per gli aerei e per molti altri processi industriali ad alta intensità energetica. In questo caso, i synfuels sarebbero molto utili".
Il vantaggio dei combustibili liquidi come la paraffina è la loro altissima densità energetica, che può superare di quasi 100 volte quella delle batterie. I combustibili prodotti da energie rinnovabili sono quindi un’opzione particolarmente interessante per lo stoccaggio stagionale dell’energia. L’infrastruttura per il trasporto e lo stoccaggio dei synfuels esiste già, poiché la loro composizione differisce poco da quella dei combustibili fossili. L’unica cosa che manca è la capacità di produrli su larga scala. Alessandro Senocrate è comunque ottimista: "Faccio ricerca in questo campo solo da pochi anni, eppure ho già visto enormi progressi", dice lo scienziato. "Naturalmente sono necessari molti cambiamenti politici e sociali. Ma dal punto di vista della scienza dei materiali, i progressi sono sorprendenti".
Prima che Alessandro Senocrate possa contribuire a questo progresso con il suo progetto "Ambizione", deve ancora superare una serie di sfide. Una delle più importanti è quella di introdurre nel materiale di partenza difetti sufficienti per ottenere un effetto catalitico misurabile. Il ricercatore utilizza deliberatamente un materiale di partenza inerte che, senza difetti, non ha alcuna influenza sulla reazione elettrochimica. "Questo mi permette di determinare con estrema precisione l’effetto di ciascun difetto", spiega.
Una volta caratterizzati, i difetti possono essere introdotti anche nei materiali catalitici esistenti. "Idealmente, alla fine del progetto, saremo in grado di apportare miglioramenti mirati a un sistema esistente per la conversione di CO2", spiega Alessandro Senocrate. Sistemi di questo tipo sono già in uso nel laboratorio "Materials for Energy Conversion", dove i ricercatori stanno già testando diversi catalizzatori e materiali per elettrodi.
I requisiti richiesti a questi materiali sono elevati: "Per l’uso industriale, il catalizzatore deve essere selettivo, attivo e stabile", afferma Alessandro Senocrate. Selettività significa che fornisce una sola sostanza chimica di reazione, o almeno poche che possono essere facilmente separate. L’alta attività è necessaria per produrre la maggior quantità possibile di combustibili o sostanze chimiche con la minor energia possibile. E naturalmente un catalizzatore pronto per essere commercializzato deve mantenere la sua funzionalità per migliaia di ore di funzionamento: in altre parole, deve essere stabile. "Dobbiamo ancora migliorare molto queste tre proprietà", afferma il ricercatore. Ma siamo sulla strada giusta".
