Adsorbimento selettivo e reversibile dei gas
Le cose vanno molto meglio sotto tensione
Utilizzando un composito di carbonio e biossido di silicio commutabile elettricamente, un gruppo di ricerca della TU Darmstadt ha per la prima volta rimosso in modo specifico dalla fase gassosa gas come l'anidride carbonica, l'azoto o l'argon, semplicemente applicando una tensione elettrica. Il materiale immagazzina i gas sulla sua superficie e li rilascia di nuovo completamente quando la tensione viene modificata. Lo studio apre nuove prospettive per i processi di separazione ad alta efficienza energetica ed è stato pubblicato su Advanced Science.
Nella scienza e nella tecnologia è di fondamentale importanza separare le sostanze l'una dall'altra. Se si desidera separare i liquidi, ad esempio, spesso è necessaria molta energia, come nel caso della distillazione e della vaporizzazione.
Tuttavia, esistono anche metodi più delicati per separare le sostanze in modo mirato. Questi funzionano attaccando le sostanze (adsorbite) a una superficie e rimuovendole successivamente. In più fasi, ad esempio, diversi gas possono essere catturati (adsorbiti) e rilasciati (desorbiti) uno dopo l'altro.
Per realizzare l'adsorbimento e il desorbimento in modo efficiente dal punto di vista energetico, sono necessari materiali e processi commutabili. Per l'utilizzo tecnologico, il materiale commutabile deve anche essere facilmente disponibile. Il processo di commutazione deve essere reversibile e utilizzare il minor numero possibile di risorse. A tal fine, la ricerca orientata alle applicazioni si concentra in particolare sui processi elettrici. Il processo è particolarmente interessante se l'energia elettrica necessaria può essere fornita, per quanto possibile, da fonti rinnovabili.
Un gruppo di ricerca guidato dal dottorando Silvio Heinschke e dal professor Jörg J. Schneider del Dipartimento di Chimica Mesoscopica della Facoltà di Chimica della TU Darmstadt è riuscito per la prima volta ad adsorbire anidride carbonica (CO₂), azoto (N₂) o argon direttamente dalla fase gassosa applicando una bassa tensione elettrica a un materiale (adsorbente). Questo adsorbente è costituito da carbonio (carbone) e biossido di silicio (sabbia). Successivamente, questi gas possono essere rimossi dal materiale adsorbente in modo controllato e completo rimuovendo nuovamente la tensione.
Il trucco sta nel fatto che nel materiale si creano interfacce di pochi micrometri. Queste interfacce si creano tra il carbonio elettricamente conduttivo e il dielettrico, cioè l'isolante, biossido di silicio. La miscela (composita) di entrambi i materiali è necessaria e decisiva per il comportamento di adsorbimento/desorbimento che è stato descritto per la prima volta.
Le disomogeneità, cioè i gradienti di campo, sono generati tra le numerose interfacce del carbonio e del biossido di silicio nel composito mediante carica elettrica. In questi campi, molecole di gas come CO₂, N₂ o argon sono leggermente caricate elettricamente o polarizzate e quindi aderiscono alla superficie del carbonio.
L'adsorbimento è influenzato dai multipoli delle molecole di gas. Queste hanno distribuzioni di carica e polarizzabilità diverse nel campo elettrico. Il conseguente legame dei gas con l'adsorbente è completamente reversibile. Attivando e disattivando il campo elettrico, è possibile generare un'oscillazione indotta dalla tensione tra la carica e la scarica della fase gassosa e la superficie del composito.
In linea di principio, questo principio dovrebbe essere applicabile a tutti i gas con un'elevata polarizzazione. Su questa base, la separazione di miscele di gas mediante adsorbimento/desorbimento a oscillazione controllata elettricamente appare realistica in futuro.
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