Il dispositivo è essenzialmente un grande e specializzato batteria che assorbe anidride carbonica dall’aria (o altro gas stream) passando sul suo elettrodi in quanto è in fase di carica, e quindi si rilascia il gas, in quanto è in fase di scarica., Durante il funzionamento, il dispositivo si alternerebbe semplicemente tra carica e scarica, con aria fresca o gas di alimentazione che viene soffiato attraverso il sistema durante il ciclo di carica, e quindi l’anidride carbonica pura e concentrata che viene soffiata durante lo scarico.

Quando la batteria si carica, una reazione elettrochimica avviene sulla superficie di ciascuna pila di elettrodi. Questi sono rivestiti con un composto chiamato poliantrachinone, che è composto con nanotubi di carbonio., Gli elettrodi hanno un’affinità naturale per l’anidride carbonica e reagiscono prontamente con le sue molecole nel flusso d’aria o nel gas di alimentazione, anche quando è presente a concentrazioni molto basse. La reazione inversa avviene quando la batteria è scarica-durante la quale il dispositivo può fornire parte della potenza necessaria per l’intero sistema — e nel processo espelle un flusso di anidride carbonica pura. L’intero sistema funziona a temperatura ambiente e pressione dell’aria normale.,

“Il più grande vantaggio di questa tecnologia rispetto alla maggior parte delle altre tecnologie di cattura del carbonio o di assorbimento del carbonio è la natura binaria dell’affinità dell’adsorbente con l’anidride carbonica”, spiega Voskian. In altre parole, il materiale dell’elettrodo, per sua natura, “ha un’alta affinità o nessuna affinità”, a seconda dello stato di carica o scarica della batteria. Altre reazioni utilizzate per la cattura del carbonio richiedono fasi intermedie di lavorazione chimica o l’apporto di energia significativa come calore o differenze di pressione.,

“Questa affinità binaria consente la cattura di anidride carbonica da qualsiasi concentrazione, comprese le parti 400 per milione, e consente il suo rilascio in qualsiasi flusso portante, incluso il 100% di CO2”, afferma Voskian. Cioè, poiché qualsiasi gas scorre attraverso la pila di queste celle elettrochimiche piatte, durante la fase di rilascio l’anidride carbonica catturata verrà trasportata insieme ad essa. Ad esempio, se il prodotto finale desiderato è anidride carbonica pura da utilizzare nella carbonatazione delle bevande, allora un flusso di gas puro può essere soffiato attraverso le piastre., Il gas catturato viene quindi rilasciato dalle piastre e si unisce al flusso.

In alcuni impianti di imbottigliamento di bevande analcoliche, il combustibile fossile viene bruciato per generare l’anidride carbonica necessaria per dare alle bevande il loro fizz. Allo stesso modo, alcuni agricoltori bruciano gas naturale per produrre anidride carbonica per nutrire le loro piante in serra. Il nuovo sistema potrebbe eliminare tale necessità di combustibili fossili in queste applicazioni, e nel processo in realtà essere prendendo il gas serra a destra fuori dall’aria, Voskian dice., In alternativa, il flusso di anidride carbonica pura potrebbe essere compresso e iniettato sottoterra per lo smaltimento a lungo termine, o anche trasformato in combustibile attraverso una serie di processi chimici ed elettrochimici.

Il processo che questo sistema utilizza per catturare e rilasciare anidride carbonica “è rivoluzionario” dice. “Tutto questo avviene in condizioni ambientali — non c’è bisogno di input termici, di pressione o chimici. Sono solo questi fogli molto sottili, con entrambe le superfici attive, che possono essere impilati in una scatola e collegati a una fonte di energia elettrica.,”

“Nei miei laboratori, ci siamo sforzati di sviluppare nuove tecnologie per affrontare una serie di problemi ambientali che evitano la necessità di fonti di energia termica, cambiamenti nella pressione del sistema o aggiunta di sostanze chimiche per completare i cicli di separazione e rilascio”, afferma Hatton. “Questa tecnologia di cattura dell’anidride carbonica è una chiara dimostrazione della potenza degli approcci elettrochimici che richiedono solo piccole oscillazioni di tensione per guidare le separazioni.,”

In un impianto funzionante — ad esempio, in una centrale elettrica in cui i gas di scarico vengono prodotti in modo continuo — è possibile installare due serie di pile di celle elettrochimiche affiancate per funzionare in parallelo, con i gas di scarico diretti prima verso un set per la cattura del carbonio, quindi deviati verso il secondo set mentre il primo set entra nel suo ciclo di scarico. Alternando avanti e indietro, il sistema potrebbe sempre catturare e scaricare il gas., In laboratorio, il team ha dimostrato che il sistema può sopportare almeno 7.000 cicli di carica-scarica, con una perdita di efficienza del 30% in quel periodo. I ricercatori stimano che essi possono facilmente migliorare che a 20.000 a 50.000 cicli.

Gli elettrodi stessi possono essere fabbricati con metodi di lavorazione chimica standard. Mentre oggi questo viene fatto in un ambiente di laboratorio, può essere adattato in modo che alla fine potrebbero essere realizzati in grandi quantità attraverso un processo di produzione roll-to-roll simile a una macchina da stampa di giornali, Voskian dice., ” Abbiamo sviluppato tecniche molto convenienti”, dice, stimando che potrebbe essere prodotto per qualcosa come decine di dollari per metro quadrato di elettrodo.

Rispetto ad altre tecnologie di cattura del carbonio esistenti, questo sistema è abbastanza efficiente dal punto di vista energetico, utilizzando circa un gigajoule di energia per tonnellata di anidride carbonica catturata, in modo coerente. Altri metodi esistenti hanno un consumo di energia che varia da 1 a 10 gigajoule per tonnellata, a seconda della concentrazione di anidride carbonica in ingresso, Voskian dice.,

I ricercatori hanno istituito una società chiamata Verdox per commercializzare il processo, e la speranza di sviluppare un impianto pilota-scala entro i prossimi anni, dice. E il sistema è molto facile da scalare, dice: “Se vuoi più capacità, devi solo fare più elettrodi.”

Questo lavoro è stato sostenuto da una sovvenzione del MIT Energy Initiative Seed Fund e da Eni S.p.A.