I chimici hanno sviluppato una struttura su scala nanometrica che combina rame, oro e argento che funziona come catalizzatore superiore in una reazione chimica le cui prestazioni migliorate saranno essenziali se gli sforzi di cattura e utilizzo del carbonio, per riuscire a mitigare il riscaldamento globale.
Di fronte alla sfida del cambiamento climatico, negli ultimi anni, i responsabili politici si sono sempre più concentrati sulla cattura e l'utilizzo del carbonio (CCU), in cui la CO2 viene prelevata dall'atmosfera e quindi utilizzata come materia prima per prodotti chimici industriali (come monossido di carbonio, acido formico, etilene ed etanolo) o per la produzione di carburanti sintetici a emissioni zero (particolarmente utili per settori di trasporto difficili da elettrificare come l'aviazione e la navigazione a lungo raggio). Finché quest'ultimo processo è alimentato da elettricità pulita, offre anche un modo per immagazzinare energia rinnovabile a lungo termine, il Santo Graal di superare l'intermittenza delle opzioni energetiche come l'energia eolica e solare.
Un possibile mezzo per fare tutto questo è attraverso una reazione chimica chiamata reazione elettrochimica di riduzione della CO2 (eCO2RR, o semplicemente ECR). Questo utilizza l'elettricità per alimentare la conversione del gas in altre sostanze utilizzabili separando gli atomi di carbonio di CO2 dai suoi atomi di ossigeno. L'acqua può anche fornire "donatori" di idrogeno in alcune varietà di ECR in cui gli atomi di carbonio sono combinati con l'idrogeno per produrre varie specie di idrocarburi o alcoli.
La chiave per l'ECR è l'utilizzo del giusto catalizzatore, o sostanza chimica la cui struttura e carica gli consentono di dare il via o accelerare una reazione chimica. Vari metalli diversi sono stati utilizzati come catalizzatori a seconda del prodotto finale desiderato. I catalizzatori che impiegano un solo tipo di metallo includono lo stagno per produrre acido formico, l'argento per il monossido di carbonio (CO) e il rame per metano, etilene o etanolo.
Tuttavia, le prestazioni del processo possono essere limitate quando l'ECR compete con la tendenza degli atomi di idrogeno all'interno della scissione elettrochimica dell'acqua ad accoppiarsi con se stessi invece di unirsi agli atomi di carbonio. Questa competizione può portare alla produzione (o "selezione") di un prodotto finale chimico diverso da quello desiderato. Di conseguenza, i chimici sono stati a lungo a caccia di catalizzatori con elevata "selettività".
Recentemente, invece di utilizzare solo un singolo metallo come catalizzatore, i ricercatori si sono rivolti all'uso di eterostrutture che incorporano due materiali distinti le cui proprietà combinate producono risultati diversi o superiori a uno dei singoli materiali da soli.
Alcune delle eterostrutture che sono state testate per l'ECR includono la combinazione di argento e palladio in una formazione ramificata (AgPd "nanodentiriti") e varie altre combinazioni di due metalli in forme sandwich-like, tube-like, pyramidal e di altro tipo. I ricercatori hanno goduto di un notevole successo con le eterostrutture bimetalliche che includono il rame, che è molto bravo a convertire la CO2 in prodotti che utilizzano due atomi di carbonio. Queste eterostrutture bimetalliche includono argento-rame (AgCu), zinco-rame (ZnCu) e oro-rame (AuCu), con quest'ultimo che gode di particolare successo di selettività per metano, C2 e monossido di carbonio.
"Abbiamo pensato che se due metalli stavano producendo buoni risultati, allora forse tre metalli sarebbero stati ancora meglio", ha spiegato Zhicheng Zhang, un nanochimico dell'Università di Tianjin e co-autore dello studio.
Così i ricercatori hanno costruito una nanostruttura trimetallica che combinava oro, argento e rame ed era asimmetrica nella forma. La forma e il rapporto preciso dei tre metalli possono essere modificati tramite un metodo di crescita che prevede più passaggi. In particolare, i "nanopiramidi" d'oro vengono prima sintetizzati e utilizzati come "semi" per la successiva crescita di varie strutture trimetalliche che coinvolgono diversi rapporti dei tre metalli.
Hanno scoperto che, come risultato della forma unica del loro design eterostruttura e alterando i rapporti di questi tre metalli, potevano sintonizzare attentamente la selettività verso diversi prodotti a base di C2. La produzione di etanolo (C2H6O) in particolare è stata massimizzata utilizzando un'eterostruttura con il rapporto di alimentazione che coinvolge un atomo ciascuno di oro e argento combinato con cinque atomi di rame. Il lavoro definisce una strategia promettente per lo sviluppo di altri nanomateriali trimetallici nell'ambito dello sviluppo ECR.