Investitori, aziende e governi di tutto il mondo stanno lavorando per raggiungere l'azzeramento delle emissioni nette di carbonio entro il 2050. Le tecnologie di produzione di combustibili rinnovabili (i cosiddetti e-fuels), attraverso il riutilizzo dell'anidride carbonica (CCU, Carbon Capture and Utilization), sono oggi considerate fondamentali nella transizione energetica e essenziali per il raggiungimento di un obiettivo così ambizioso.

Tuttavia, i costi di produzione ancora elevati richiedono uno sforzo scientifico e tecnologico finalizzato a ottimizzare materiali e processi per rendere gli e-fuels (metanolo in primis) sempre più competitivi. Uno degli aspetti chiave del processo di produzione degli e-fuels è costituito dai catalizzatori, materiali solidi che, grazie alle loro caratteristiche e alla natura porosa, ospitano i reagenti e accelerano la reazione (che in assenza di questi materiali non avverrebbe).

Ma non è tutto così semplice. Gli spazi di reazione (i cosiddetti siti catalitici) all’interno dei materiali sono molto ampi (qualche miliardesimo di metro) e tra loro disomogenei: solo quelli più reattivi consentiranno la reazione che porta ai prodotti finali, riducendo l’efficienza del processo e comportando la formazione di prodotti secondari, non sempre graditi. È evidente che lo sviluppo e l’ottimizzazione di questi materiali non può prescindere da una conoscenza approfondita degli stessi e del loro funzionamento.

Ricavare una correlazione accurata tra un sito atomicamente ben definito e la sua attività catalitica è un compito difficile perché le tecniche di caratterizzazione standard forniscono solo informazioni mediate sull’intero sistema. Di conseguenza, non è banale ottenere informazioni di un singolo sito catalitico, dato che diverse composizioni chimiche e difetti morfologici possono essere co-presenti sullo stesso catalizzatore “reale”. Tuttavia, sta diventando sempre più forte la consapevolezza che per rappresentare in maniera realistica la struttura di un sistema molecolare e per poterne calcolare in maniera accurata alcune delle sue proprietà, tale struttura deve poter contare di un modello reattivo completo ed esauriente per una migliore comprensione del sistema e, di conseguenza, per l’ottimizzazione del processo.

In questo ambito sono comprese le tecniche computazionali di dinamica molecolare, sulle quali continua proficuamente la ricerca portata avanti congiuntamente da Sotacarbo e dal più prestigioso tra gli atenei indiani, l’Indian Institute of Technology Madras (IITM) di Chennai. I nuovi risultati di questa proficua collaborazione sono stati appena pubblicati dalla prestigiosa rivista scientifica internazionale “Applied Catalysis B: Environment and Energy”, rivista classificata tra le cinque più prestigiose a livello mondiale sugli studi catalitici. L’articolo scientifico, intitolato “Cu Facet-Dependent Activity of Cu/ZnOx Catalyst During Methanol Synthesis from Industrially Relevant CO-CO₂ Gas Mixtures”, è stato sviluppato da un team congiunto composto da Ajay Koushik V, Balaji C Dharmalingam, Mauro Mureddu, Francesca Ferrara, Alberto Pettinau, Preeti Aghalayam, Niket S Kaisare, Jithin John Varghese, autori del lavoro.

“Questo lavoro svela il ruolo dei diversi piani cristallini delle nanoparticelle di rame del catalizzatore sulla produttività di metanolo a partire da miscele CO/CO₂ di rilevanza industriale. L’attività di ricerca ha riguardato la modellazione microcinetica, che ha visto Sotacarbo impegnata in un’intensiva campagna sperimentale su catalizzatori multicomponente sviluppati nei propri laboratori per la produzione di metanolo rinnovabile”, dice Alberto Pettinau, Direttore Ricerca e Sviluppo di Sotacarbo. “Questo studio è il frutto di diversi anni di lavoro in strettissima collaborazione con i gruppi di ricerca coordinati dalla Prof.ssa Preeti Aghalayam e dal prof. Jithin Varghese. Collaborazione che ha consentito di svelare, grazie a potenti studi di simulazione computazionale e di Density Functional Theory (ovvero la teoria quantistica microscopica per lo studio di sistemi a molti elettroni), la natura dei siti attivi del catalizzatore preparato”, fa eco Francesca Ferrara, coordinatrice dei gruppi di ricerca Sotacarbo.

“Questo studio rivelatorio – attraverso un approccio denominato nel gergo scientifico di “mean-field multi‑site reactor-scale microkinetic model”, il cui nome è di per sé rivelatore della sua complessità – ha permesso di elucidare circa il ruolo dei componenti individuali del catalizzatore e dell’evoluzione del meccanismo di formazione del metanolo all’interno del reattore. Questo risultato sarà d’aiuto nel progettare catalizzatori sempre più performanti e sarà di supporto per l’ottimizzazione delle condizioni operative di reazione”, spiega Mauro Mureddu, responsabile della ricerca sugli e-fuels presso Sotacarbo e co-autore del lavoro. In previsione futura, le informazioni acquisite permetteranno l’identificazione di strategie per l’ottimizzazione e il design di nuovi reattori a livello industriale.

Grazie al supporto della Regione Autonoma della Sardegna, che ha finanziato parte del lavoro attraverso il progetto “Advanced Sustainable technologies for Energy Transition, ASSET” (CUP D43C22002400002), Sotacarbo continua a contribuire all’avanzamento tecnologico per la transizione energetica, dimostrando il suo valore nella scelta oculata per migliorare le prestazioni di un catalizzatore.