Nanoparticelle di rame e cristalli silicei: aumentata produzione di metanolo da CO2

RomeScienziati del Tokyo Tech hanno scoperto che inserire nanoparticelle di rame all'interno di cristalli di silicato poroso idrorepellente può aumentare l'efficacia dei catalizzatori di ossido di rame-zinco nella produzione di metanolo. Questa configurazione impedisce alle particelle di rame di aggregarsi sotto il calore, migliorando l'idrogenazione e la produzione di metanolo. Questo metodo rende più efficiente la sintesi del metanolo a partire dal CO2.

Le emissioni di CO2 sono una delle principali cause del riscaldamento globale, perciò ridurle è una necessità impellente. Il metanolo rappresenta un'alternativa valida ed economica ai combustibili tradizionali per il trasporto. Utilizzare l'idrogeno per convertire la CO2 in metanolo è una tecnologia promettente per catturare e riutilizzare questa sostanza.

Temperature più basse sono preferibili per la produzione di metanolo poiché la reazione rilascia calore. I catalizzatori composti da rame e ossido di zinco (Cu-ZnO) sono particolarmente efficaci a tal fine. Facilitano la conversione del CO2 in intermedi di formiato, incrementando la produzione di metanolo. Una maggiore area di contatto tra rame e ossido di zinco migliora tale produzione, ottenibile spargendo maggiormente le particelle di rame. Tuttavia, a temperature elevate, le particelle di rame tendono a raggrupparsi rendendo la superficie disponibile inferiore. Inoltre, l'acqua prodotta come sottoprodotto contribuisce a questo fenomeno e rallenta la formazione del formiato.

Un gruppo di ricercatori guidati dal Professor Teruoki Tago presso il Tokyo Institute of Technology ha sviluppato nuovi catalizzatori in Cu-ZnO racchiusi in Silicalite-1 (S-1). Hanno sottolineato diversi risultati significativi nel loro studio.

• Incorporare metalli in supporti porosi riduce l'aggregazione termica.
• I catalizzatori Cu-ZnO incapsulati in S-1 mostrano una produzione di metanolo potenziata.
• Sono stati realizzati due tipi di catalizzatori: Cu/S-1 e Cu@S-1.
• Cu@S-1 è stato preparato utilizzando una polvere di fillosilicato di rame (CuPS).

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I ricercatori hanno sviluppato due tipi di catalizzatori. Il primo, chiamato Cu/S-1, è stato ottenuto aggiungendo rame a un materiale idrorepellente noto come S-1. Il secondo, denominato Cu@S-1, è stato creato utilizzando una polvere a base di rame che ha facilitato l’incorporazione delle particelle di rame nella struttura S-1. Per produrre Cu@S-1, hanno sciolto la polvere di rame, e il tempo impiegato per la dissoluzione ha influenzato la dimensione delle particelle di rame. Una volta determinato il tempo di dissoluzione ottimale, il catalizzatore conteneva particelle di rame di circa 2,4 nanometri all'interno dello S-1.

Il catalizzatore Cu@S-1 ha mostrato una maggiore attività di idrogenazione e produzione di metanolo rispetto al Cu/S-1. Per incrementare ulteriormente la produzione di metanolo, è stato aggiunto ZnO al Cu@S-1 mediante impregnazione, creando il catalizzatore ZnO/Cu@S-1 con particelle di Cu fini. Questo nuovo catalizzatore ha mostrato un'attività ancora più elevata, suggerendo la formazione di un'interfaccia Cu-ZnO.

La struttura S-1 impedisce l'aggregazione delle particelle di rame durante il riscaldamento. Inoltre, facilita la rapida eliminazione dell'acqua prodotta nelle reazioni vicino all'interfaccia Cu-ZnO, migliorando la produzione di metanolo.

Lo studio, apparso online il 21 febbraio 2024, è stato pubblicato nel Volume 485 del Chemical Engineering Journal il 1º aprile 2024. Il progetto è stato finanziato dal programma Horizon2020 dell'UE e dall'Agenzia Giapponese per la Scienza e la Tecnologia attraverso il progetto SCICORP (Laurelin project). I ricercatori hanno scoperto che il nuovo metodo per preparare i catalizzatori funziona molto bene e promette di rendere la produzione di metanolo da CO2 più efficiente.