Un gruppo di ricerca internazionale, tra cui il Dipartimento di Scienze Chimiche e Farmaceutiche dell’Università di Trieste, ha scoperto un nuovo meccanismo di attivazione fotocatalitica dell’idrogeno rendendo possibile la conversione selettiva di CO2 a etilene, aprendo la strada per una sua più efficiente e sostenibile produzione, senza ricorrere a fonti fossili e derivati del petrolio. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Science e potranno avere importanti effetti sul settore industriale e nei processi di decarbonizzazione.

Un gruppo di ricerca internazionale ha scoperto un nuovo meccanismo fotocatalitico di attivazione dell’idrogeno utilizzato poi per realizzare un nuovo processo di produzione di etilene a partire da biossido di carbonio (CO2) e, appunto, idrogeno.

L’etilene è un componente fondamentale nella produzione di materiali plastici impiegati nei settori dell’imballaggio, dell’alimentazione, dell’abbigliamento, dei rivestimenti e isolanti elettrici, dalle gomme degli autoveicoli fino alla componentistica per attrezzature mediche. La produzione annua di etilene supera i 150 milioni di tonnellate e si basa attualmente sulla trasformazione catalitica di idrocarburi fossili, contribuendo così all’aumento delle emissioni di gas a effetto serra.

Lo studio è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica Science e potrà avere importanti effetti sul settore industriale ed in campo ambientale.

Tra i ricercatori firmatari dello studio anche Paolo Fornasiero, professore presso il Dipartimento di Scienze Chimiche e Farmaceutiche dell’Università degli Studi di Trieste, associato all’Istituto di Chimica dei Composti Organometallici (ICCOM-CNR) di Firenze e membro del Consorzio Interuniversitario Nazionale per la Scienza e Tecnologia dei Materiali (INSTM).

La ricerca condotta dal professor Fornasiero e colleghi propone un nuovo modo di attivare l’idrogeno, o più semplicemente, di renderlo più reattivo e pronto a formare nuovi legami chimici attraverso la formazione di dipoli elettrici indotti da radiazione ultravioletta sulla superficie di fotocatalizzatori a base di oro depositato su biossido di titanio. La scoperta è stata applicata alla reazione di idrogenazione del biossido di carbonio allo scopo di poter trasformare tale inquinante a effetto serra in prodotti ad alto valore aggiunto. La ricerca prende spunto dalla consapevolezza della prossima disponibilità di idrogeno verde che potrà essere prodotto in grandi quantità per elettrolisi con corrente elettrica da fonti rinnovabili.  Il processo fotocatalitico complessivo che è stato ottenuto porta alla formazione selettiva di etilene a partire da biossido di carbonio e idrogeno.

Paolo Fornasiero, professore dell’Università degli Studi di Trieste, associato all’istituto ICCOM-CNR di Firenze e membro del consorzio INSTM, commenta: “Nella prospettiva di un’economia sempre più sostenibile, meno inquinante ed energivora, il nostro studio suggerisce la possibilità di produrre etilene con un metodo innovativo e sostenibile, riducendo drasticamente la dipendenza da fonti fossili, svincolandone il costo dal prezzo delle materie prime e dell’energia, in particolare da petrolio e gas naturale.”

L’etilene viene infatti attualmente prodotto attraverso un processo di cracking catalitico di idrocarburi in presenza di vapore d’acqua. Questo processo prevede il riscaldamento di idrocarburi, come ad esempio etano, propano, nafta e gasoli, ad alte temperature (tipicamente 750-950 °C) con vapore. Il vapore d’acqua contribuisce a ridurre l’indesiderata formazione di depositi carboniosi sulla superficie dei catalizzatori ed è coinvolto nella reazione di scissione degli idrocarburi più grandi in idrocarburi più piccoli, incluso l’etilene. La miscela risultante viene quindi separata tramite compressione e distillazione per isolare l’etilene. Il costo di produzione è fortemente dipendente dal tipo di idrocarburo utilizzato e dalla sua disponibilità locale, a cui vanno aggiunti aspetti legati alla difficoltà di trasporto e concorrenziali richieste per utilizzi energetici. La possibilità quindi di utilizzare biossido di carbonio e idrogeno verde, luce e un opportuno fotocatalizzatore per produrre etilene potrebbe portare non soltanto a vantaggi economici e ambientali, ma anche ridurre le sempre più critiche dipendenze da materie prime non omogeneamente distribuite.
I ricercatori sono stati in grado di applicare con successo i risultati in condizioni prossime a quelle di interesse industriale, realizzando un primo prototipo.

Il gruppo di ricerca internazionale coinvolge, insieme al professor Paolo Fornasiero, i professori Nenchao Luo e Feng Wang dal Dalian Institute of Chemical Physics (Cina).

Attualmente la ricerca del prof. Fornasiero è finanziata dalla Commissione Europea (HORIZON-WIDERA-2021-ACCESS-03-01 e HORIZON-EIC-2023-PATHFINDEROPEN-01).

Studio completo pubblicato su Science

Photochemical H2 dissociation for nearly quantitative CO2 reduction to ethylene

Ping Jin,1,3 Pu Guo,1 Nengchao Luo,1,3,* Hui Zhang,4,5 Chenwei Ni,1,3 Ruotian Chen,1 Wei Liu,1 Rengui Li,1 Jianping Xiao,1 Guoxiong Wang,6 Fuxiang Zhang,1 Paolo Fornasiero,2,* Feng Wang1,3,*

  1. State Key Laboratory of Catalysis, Dalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, China.
  2. Department of Chemical and Pharmaceutical Sciences, Center for Energy, Environment and Transport Giacomo Ciamiciam, INSTM Trieste Research Unit and ICCOM-CNR Trieste Research Unit, University of Trieste, Via Licio Giorgieri 1, Trieste 34127, Italy.
  3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China.
  4. Shanghai Synchrotron Radiation Facility, Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201204, China.
  5. National Key Laboratory of Materials for Integrated Circuits, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China.
  6. Department of Chemistry, Fudan University, Shanghai 200438, China.