Capire le trappole di carbonio
L'analisi fisica di un materiale promettente mostra esattamente come blocca il CO₂ in posizione
Mentre le industrie cercano soluzioni innovative per la cattura del carbonio, gli scienziati si sono rivolti a materiali avanzati che intrappolano e immagazzinano in modo efficiente l'anidride carbonica (CO₂) proveniente dalle emissioni industriali. Un recente studio condotto da un team dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), dell'Università di Tecnologia di Dresda (TUD) e dell'Università Maria Curie-Skłodowska di Lublino (Polonia) fa luce sulla fisica di adsorbimento dei gas del cosiddetto Calgary Framework 20 (CALF-20), una struttura metallo-organica (MOF) a base di zinco. La ricerca evidenzia come CALF-20 catturi efficacemente la CO₂ resistendo all'interferenza dell'acqua, un problema comune nei materiali per la cattura del carbonio.
Le tecnologie di cattura della CO₂ si basano su materiali in grado di catturare selettivamente il gas serra dai flussi di gas, riducendo al minimo il consumo energetico. Gli adsorbenti tradizionali, come i carboni attivi e le zeoliti, spesso soffrono di un elevato fabbisogno energetico o di una scarsa selettività in ambienti umidi. Al contrario, il CALF-20 si distingue per l'elevato assorbimento di CO₂ e per il suo lieve calore di adsorbimento e rigenerazione. Mantiene un'elevata selettività adsorbendo preferenzialmente CO₂ rispetto all'acqua in condizioni di moderata umidità. CALF-20 cattura CO₂ in modo più efficace e assorbe meno acqua in tali condizioni, rispetto ad altri composti simili ampiamente studiati. Tutti questi MOF sono altamente porosi e costituiti da cluster di metallo-ossigeno, collegati in modo strutturato da pilastri di sostanze chimiche organiche. Questa disposizione tridimensionale porta a reti di cavità che ricordano i pori di una spugna da cucina.
"In questo studio, abbiamo impiegato un approccio multiforme per indagare il comportamento di adsorbimento di CO₂ di CALF-20. Utilizzando una combinazione di spettroscopia del tempo di vita dell'annichilazione di positroni (PALS), diffrazione di raggi X della polvere in situ (PXRD) ed esperimenti di adsorbimento di gas, siamo stati in grado di visualizzare l'interazione tra le molecole di CO₂ e la struttura interna del materiale a diverse temperature e livelli di umidità. Queste conoscenze forniscono informazioni importanti per ottimizzare le tecnologie di cattura della CO₂ in contesti industriali reali", spiega il dott. Ahmed Attallah dell'Istituto di fisica delle radiazioni dell'HZDR.
Un'immersione profonda nei meccanismi di adsorbimento
"Il PALS svolge un ruolo fondamentale nell'analisi dell'interazione dei gas con i materiali porosi. Questa tecnica misura il tempo di vita del positronio, uno stato legato di un elettrone e un positrone, che è sensibile ai volumi liberi locali. Nei materiali porosi come il CALF-20, i tempi di vita del positronio indicano gli spazi vuoti, le loro dimensioni e come cambiano quando le molecole di gas iniziano a riempire i pori", afferma il Prof. Radosław Zaleski dell'Università Maria Curie-Skłodowska di Lublino.
Attraverso il PALS, i ricercatori hanno osservato che la CO₂ si raccoglie inizialmente al centro dei nanopori di CALF-20, formando una disposizione strutturata prima di aderire alle pareti dei pori. Questa progressione è correlata all'aumento della pressione di CO₂, confermando che PALS è in grado di seguire le fasi di adsorbimento molecolare in tempo reale. Il metodo ha inoltre rivelato che anche dopo che la CO₂ ha riempito i pori, permangono piccoli volumi liberi, che possono essere fondamentali per aumentare l'efficienza dell'adsorbimento.
Il metodo PALS si è rivelato particolarmente utile per distinguere le modalità di interazione tra CO₂ e acqua all'interno del materiale. In condizioni di umidità, i dati PALS hanno mostrato che l'acqua forma ammassi isolati a bassa umidità, mentre a livelli di umidità più elevati forma reti interconnesse. "Questi cambiamenti strutturali influenzano l'accessibilità dei pori, ma CALF-20 mantiene la sua significativa capacità di adsorbimento di CO₂ a un'umidità relativa inferiore al 40%. I metodi convenzionali di adsorbimento dei gas da soli farebbero fatica a risolvere queste sottili variazioni strutturali, dimostrando il valore unico di PALS nell'analisi delle interazioni dinamiche gas-materiale", riprende il Prof. Stefan Kaskel della TUD.
L'impatto dell'umidità: Una sfida chiave nella cattura di CO₂
Nelle applicazioni industriali, raramente la CO₂ viene catturata da flussi di gas secchi: l'umidità è quasi sempre presente. Ciò rappresenta una sfida per molti materiali, poiché le molecole d'acqua spesso competono con la CO₂ per i siti di adsorbimento, riducendone l'efficienza.
Attraverso esperimenti in situ controllati dall'umidità, il team ha scoperto che CALF-20 mantiene una solida performance di adsorbimento di CO₂ anche in presenza di acqua, dove il livello di umidità relativa definisce questa robustezza. A bassa umidità, le molecole d'acqua rimangono isolate all'interno della struttura. Questa formazione di rete altera il volume libero del materiale, ma la CO₂ trova ancora siti di adsorbimento disponibili, dimostrando la resistenza di CALF-20 in condizioni di umidità. A livelli di umidità sempre più elevati, si formano reti interconnesse con legami a idrogeno, che permettono di dominare l'assorbimento dell'acqua.
Integrando il PALS con altre tecniche di caratterizzazione, questo studio fornisce una comprensione completa del modo in cui CALF-20 cattura la CO₂ in diverse condizioni ambientali. I risultati suggeriscono che CALF-20 potrebbe essere una soluzione scalabile ed efficiente dal punto di vista energetico per la cattura industriale di CO₂, in particolare in ambienti in cui l'umidità rappresenta una sfida. Sviluppato dai ricercatori dell'Università di Calgary, CALF-20 è già stato scalato fino alla produzione di diversi chilogrammi, il che lo rende un forte candidato per le applicazioni del mondo reale.
Le implicazioni vanno oltre la scienza fondamentale: queste conoscenze potrebbero aprire la strada all'ottimizzazione dei MOF di prossima generazione per l'impiego su larga scala nelle applicazioni di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS). Ulteriori ricerche si concentreranno sulla stabilità a lungo termine e sull'integrazione del processo, avvicinandosi all'implementazione di CALF-20 nelle strategie industriali di mitigazione della CO₂.
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