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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10298 (2023) Citare questo articolo

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Riportiamo la co-elettrolisi del gas di acqua di mare e anidride carbonica (CO2) in un reattore microfluidico senza membrana integrato in una cella solare per la sintesi continua di prodotti organici. Il reattore microfluidico è stato fabbricato utilizzando un substrato di polidimetilsilossano comprendente un microcanale centrale con una coppia di ingressi per l'iniezione di gas CO2 e acqua di mare e un'uscita per la rimozione dei prodotti organici. Una coppia di elettrodi di rame sono stati inseriti nel microcanale per garantire la sua interazione diretta con il gas CO2 e l'acqua di mare in entrata mentre passano nel microcanale. L’accoppiamento dei pannelli solari con gli elettrodi ha generato un campo elettrico ad alta intensità attraverso gli elettrodi a bassa tensione, che ha facilitato la coelettrolisi di CO2 e acqua di mare. L'elettrolisi abbinata del gas CO2 e dell'acqua di mare ha prodotto una gamma di sostanze organiche importanti dal punto di vista industriale sotto l'influenza del campo elettrico esterno mediato dalle celle solari. I composti organici sintetizzati sono stati raccolti a valle e identificati utilizzando tecniche di caratterizzazione. Inoltre, sono stati proposti i probabili meccanismi di reazione elettrochimica sottostanti vicino agli elettrodi per la sintesi di prodotti organici. L’inclusione del gas serra CO2 come reagente, dell’acqua di mare come elettrolita e dell’energia solare come fonte elettrica economica per l’avvio della coelettrolisi rende il microreattore un’alternativa economica e sostenibile per il sequestro della CO2 e la sintesi di composti organici.

Il microreattore è costituito da microcanali a flusso continuo con un diametro tipico inferiore a 1 mm e volumi di reazione che vanno dai nanolitri ai microlitri1,2,3. Nell'ultimo decennio, i microreattori hanno rivoluzionato l'industria farmaceutica4,5,6, la diagnostica point-of-care7, l'energia pulita8,9 e la sintesi chimica ad alto rendimento10,11,12. Rispetto ai processi batch, la tecnologia dei microreattori consente la sintesi continua di prodotti commerciali con tempi di reazione ridotti, resa migliore, migliore selettività, maggiore efficienza, maggiore redditività, controllo preciso della reazione, riduzione degli sprechi e gestione sicura delle reazioni pericolose13,14. I microreattori possono essere sostanzialmente utilizzati per l'utilizzo e il sequestro del gas CO2 al fine di sintetizzare composti organici15,16,17.

Gli elevati livelli di emissioni di CO2 derivanti dalle attività industriali, dagli scarichi delle automobili o dalla combustione di combustibili fossili hanno innescato cambiamenti climatici indesiderati, il riscaldamento globale e gravi stress ambientali in tutto il mondo18. Di conseguenza, sono necessarie soluzioni innovative per ridurre le emissioni di CO2 e convertire il gas CO2 in prodotti commerciali19. In pratica, la cattura, l’estrazione, la purificazione e la conversione della CO2 mediante processi chimici o elettrochimici sono attualmente ostacolati dai costi elevati e dal fabbisogno energetico20. L’approccio più promettente per il sequestro della CO2 è quello di convertire il gas CO2 incontaminato in prodotti come alcol, acido carbossilico, aldeide, estere, chetone, paraffina o solvente per uso industriale21,22. Studi precedenti hanno dimostrato che i reattori batch macroscopici possono essere utilizzati per la riduzione elettrochimica della CO2 atmosferica in metanolo23,24,25. Nel recente passato, oltre alla lavorazione del petrolio, del diesel o di altre miscele di idrocarburi liquidi, la CO2 dei gas di scarico è stata sottoposta a riduzione elettrochimica per produrre una varietà di prodotti organici a valore aggiunto, come acido formico (HCOOH), formaldeide (HCHO ) e metanolo (CH3OH)26,27,28,29. Inoltre, sono stati sviluppati anche sistemi di reazione inversa acqua-gas-shift assistiti da catalizzatore per la conversione della CO2 atmosferica in combustibili idrocarburici in presenza di acqua di mare30. Studi recenti hanno dimostrato che una cella elettrochimica può produrre composti di acido carbossilico, glicole e carbossilato elettrolizzando simultaneamente l'H2O in un compartimento e riducendo la CO2 in un altro compartimento31,32,33,34,35. È stato dimostrato che la co-elettrolisi di CO2 e H2O con fonti energetiche alternative come il vento e l'irradiazione solare può essere utilizzata per produrre combustibili idrocarburici e prodotti chimici industriali36,37,38. I resoconti della letteratura hanno dimostrato che i reattori a microcanali possono ridurre la CO2 in condizioni galvaniche mediante riduzione elettrochimica catalitica39,40. Una conversione efficiente del gas serra CO2 in idrocarburi a valore aggiunto sarebbe fattibile con lo sviluppo di un sistema di microreattore alimentato a energia solare privo di catalizzatori.