I ricercatori segnalano una tecnologia rivoluzionaria per rimuovere il 99% dell'anidride carbonica dall'aria

 


Gli ingegneri dell'Università del Delaware (UD) hanno dimostrato un modo per catturare efficacemente il 99% dell'anidride carbonica dall'aria utilizzando un nuovo sistema elettrochimico alimentato da idrogeno.


Si tratta di un progresso significativo per la cattura dell'anidride carbonica e potrebbe portare sul mercato celle a combustibile più ecologiche.


Il team di ricerca, guidato dal professore Yushan Yan della UD, ha riportato il suo metodo in Nature Energy giovedì 3 febbraio.


Tecnologia rivoluzionaria per l'efficienza delle celle a combustibile

Le celle a combustibile funzionano convertendo l'energia chimica del carburante direttamente in elettricità. Possono essere utilizzate nei trasporti per cose come veicoli ibridi o a zero emissioni.


Yan, Henry Belin du Pont Chair of Chemical and Biomolecular Engineering alla UD, lavora da tempo per migliorare le celle a combustibile a membrana a scambio di idrossido (HEM), un'alternativa economica ed ecologica alle tradizionali celle a combustibile a base di acido utilizzate oggi.


Ma le celle a combustibile HEM hanno un difetto che le ha tenute fuori dalla strada: sono estremamente sensibili all'anidride carbonica nell'aria. Essenzialmente, l'anidride carbonica rende difficile la respirazione di una cella a combustibile HEM.


Questo difetto riduce rapidamente le prestazioni e l'efficienza della cella a combustibile fino al 20%, rendendo la cella a combustibile non migliore di un motore a benzina. Il gruppo di ricerca di Yan ha cercato una soluzione per questo enigma dell'anidride carbonica per oltre 15 anni.


Qualche anno fa, i ricercatori si sono resi conto che questo svantaggio potrebbe effettivamente essere una soluzione - per la rimozione dell'anidride carbonica.


"Una volta che abbiamo scavato nel meccanismo, ci siamo resi conto che le celle a combustibile stavano catturando quasi ogni bit di anidride carbonica che entrava in loro, ed erano davvero bravi a separarla dall'altra parte", ha detto Brian Setzler, assistente professore per la ricerca in ingegneria chimica e biomolecolare e co-autore del documento.


Mentre questo non è un bene per la cella a combustibile, il team sapeva che se avessero potuto sfruttare questo processo incorporato di "autospurgo" in un dispositivo separato a monte dello stack della cella a combustibile, avrebbero potuto trasformarlo in un separatore di anidride carbonica.


"Si è scoperto che il nostro approccio è molto efficace. Possiamo catturare il 99% dell'anidride carbonica dall'aria in un solo passaggio se abbiamo il giusto design e la giusta configurazione", ha detto Yan.


Quindi, come hanno fatto?

Hanno trovato un modo per incorporare la fonte di energia per la tecnologia elettrochimica all'interno della membrana di separazione. L'approccio ha coinvolto il cortocircuito interno del dispositivo.


"È rischioso, ma siamo riusciti a controllare questa cella a combustibile in cortocircuito con l'idrogeno. E utilizzando questa membrana interna elettricamente in cortocircuito, siamo stati in grado di sbarazzarci dei componenti ingombranti, come le piastre bipolari, i collettori di corrente o qualsiasi filo elettrico che si trova tipicamente in una pila di celle a combustibile", ha detto Lin Shi, un dottorando nel gruppo Yan e l'autore principale del documento.


Ora, il team di ricerca aveva un dispositivo elettrochimico che sembrava una normale membrana di filtraggio fatta per separare i gas, ma con la capacità di raccogliere continuamente piccole quantità di anidride carbonica dall'aria come un sistema elettrochimico più complicato.


In effetti, l'incorporazione dei fili del dispositivo all'interno della membrana ha creato una scorciatoia che ha reso più facile per le particelle di biossido di carbonio viaggiare da una parte all'altra. Ha anche permesso al team di costruire un modulo compatto a spirale con una grande superficie in un piccolo volume. In altre parole, ora hanno un pacchetto più piccolo in grado di filtrare maggiori quantità di aria alla volta, rendendolo efficace e conveniente per le applicazioni delle celle a combustibile. Nel frattempo, meno componenti significano meno costi e, cosa più importante, forniscono un modo per scalare facilmente per il mercato.


I risultati del team di ricerca hanno mostrato che una cella elettrochimica che misura 2 pollici per 2 pollici potrebbe rimuovere continuamente circa il 99% dell'anidride carbonica presente nell'aria che scorre a una velocità di circa due litri al minuto. Un primo prototipo di dispositivo a spirale delle dimensioni di una lattina di soda da 12 once è in grado di filtrare 10 litri d'aria al minuto e di eliminare il 98% dell'anidride carbonica, hanno detto i ricercatori.


In scala per un'applicazione automobilistica, il dispositivo sarebbe circa la dimensione di un gallone di latte, ha detto Setzler, ma il dispositivo potrebbe essere utilizzato per rimuovere l'anidride carbonica anche altrove. Per esempio, la tecnologia brevettata da UD potrebbe consentire dispositivi di rimozione dell'anidride carbonica più leggeri ed efficienti nei veicoli spaziali o nei sottomarini, dove la filtrazione continua è fondamentale.


"Abbiamo alcune idee per una tabella di marcia a lungo termine che può davvero aiutarci ad arrivare", ha detto Setzler.


Secondo Shi, poiché il sistema elettrochimico è alimentato dall'idrogeno, con lo sviluppo dell'economia dell'idrogeno, questo dispositivo elettrochimico potrebbe anche essere utilizzato in aerei ed edifici dove il ricircolo dell'aria è desiderato come misura di risparmio energetico. Più tardi questo mese, dopo la difesa della sua tesi, Shi si unirà a Versogen, una società spinoff della UD fondata da Yan, per continuare a portare avanti la ricerca verso l'idrogeno verde sostenibile.


I co-autori del lavoro del laboratorio di Yan includono Yun Zhao, co-autore e ricercatore associato, che ha eseguito il lavoro sperimentale essenziale per testare il dispositivo; Stephanie Matz, uno studente di dottorato che ha contribuito alla progettazione e alla fabbricazione del modulo a spirale, e Shimshon Gottesfeld, un professore aggiunto di ingegneria chimica e biomolecolare alla UD. Gottesfeld era investigatore principale sul progetto 2019, finanziato dall'Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), che ha portato ai risultati.


Ulteriori informazioni: Lin Shi et al, A shorted membrane electrochemical cell powered by hydrogen to remove CO2 from the air feed of hydroxide exchange membrane fuel cells, Nature Energy (2022). DOI: 10.1038/s41560-021-00969-5

Informazioni sul giornale: Natura Energia 


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