Un nuovo studio condotto da scienziati della Yale University e dell’Università del Missouri mostra che i catalizzatori realizzati con manganese possono convertire in modo efficiente l’anidride carbonica in formiato. Il manganese è ampiamente disponibile e a basso costo, il che lo rende un’alternativa interessante ai metalli costosi. Il formiato è considerato un materiale promettente per lo stoccaggio dell’idrogeno, che potrebbe aiutare ad alimentare la prossima generazione di celle a combustibile.
La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Chimica. Gli autori principali sono il ricercatore post-dottorato di Yale Justin Wedal e l’assistente di ricerca laureato dell’Università del Missouri Kyler Virtue. Gli autori senior includono il professore di Yale Nilay Hazari e il professore dell’Università del Missouri Wesley Bernskoetter.
Perché le celle a combustibile a idrogeno sono importanti
Le celle a combustibile a idrogeno funzionano trasformando l’energia chimica dell’idrogeno in elettricità, in modo simile a come funziona una batteria. Sebbene la tecnologia sia promettente per l’energia pulita, l’adozione su larga scala è stata limitata dalla difficoltà e dai costi di produzione e stoccaggio dell’idrogeno in modo efficiente.
« L’utilizzo dell’anidride carbonica è una priorità in questo momento, mentre cerchiamo materie prime chimiche rinnovabili per sostituire le materie prime derivate dai combustibili fossili », ha affermato Hazari, professore di chimica John Randolph Huffman e titolare della cattedra di chimica presso la Facoltà di Arti e Scienze di Yale (FAS).
Formati come trasportatori di idrogeno
L’acido formico, la forma protonata del formiato, è già prodotto su scala industriale. È comunemente usato come conservante, agente antibatterico e nella concia delle pelli. Molti scienziati lo vedono anche come una fonte pratica di idrogeno per le celle a combustibile, a condizione che possa essere prodotto in modo sostenibile ed efficiente.
Oggi, la maggior parte della produzione industriale di formiato si basa sui combustibili fossili, il che ne limita i benefici ambientali a lungo termine. I ricercatori affermano che un’alternativa più pulita sarebbe quella di produrre formiato direttamente dall’anidride carbonica presente nell’aria. Questo approccio ridurrebbe i livelli di gas serra e creerebbe un prodotto chimico utile.
La sfida del catalizzatore
La trasformazione dell’anidride carbonica in formiato richiede un catalizzatore, e questo ha rappresentato un grosso ostacolo. Molti dei catalizzatori più efficaci sviluppati finora dipendono da metalli preziosi che sono costosi, scarsi e spesso tossici. I metalli più abbondanti tendono a rompersi rapidamente, il che riduce la loro capacità di guidare la reazione chimica.
Come il manganese ha superato le aspettative
Il gruppo di ricerca ha sviluppato una nuova strategia per superare questo problema. Riprogettando la struttura del catalizzatore, hanno esteso significativamente la durata operativa dei catalizzatori a base di manganese. Di conseguenza, questi catalizzatori hanno funzionato meglio della maggior parte delle alternative ai metalli preziosi.
Secondo i ricercatori, il miglioramento chiave è derivato dall’aggiunta di un atomo donatore extra al design del ligando (i ligandi sono atomi o molecole che si legano a un atomo di metallo e influenzano la reattività). Questo cambiamento ha contribuito a stabilizzare il catalizzatore e a mantenerne l’efficacia.
« Sono entusiasta di vedere il design del ligando ripagare in modo così significativo », ha affermato Wedal.
Implicazioni più ampie per la chimica pulita
Il team ritiene che questo approccio potrebbe essere applicato oltre la conversione del biossido di carbonio. Principi di progettazione simili potrebbero migliorare i catalizzatori utilizzati in altre reazioni chimiche, ampliando potenzialmente l’impatto del lavoro.
Allo studio hanno contribuito anche i ricercatori di Yale, Brandon Mercado e Nicole Piekut. Il finanziamento per la ricerca è stato fornito dall’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
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