Uno studio dell’Università di Chiba dimostra che il controllo preciso dei gruppi funzionali contenenti azoto nei materiali a base di carbonio possa consentire il funzionamento a basse temperature.
I ricercatori dell’Università di Chiba, in Giappone, hanno sviluppato una nuova tipologia di materiale a base di carbonio con gruppi funzionali contenenti azoto posizionati con precisione che, grazie a un rigoroso controllo molecolare, possono rilasciare l’anidride carbonica catturata a temperature fino a 60 °C, aprendo la strada a una cattura del carbonio efficiente.
I materiali solidi per la cattura del carbonio possono contribuire a ridurre le emissioni di gas serra, ma molti sistemi esistenti rimangono ad alta intensità energetica e costosi, poiché il rilascio della CO₂ catturata richiede in genere temperature elevate.
Gli adsorbenti solidi a base di carbonio rappresentano un’alternativa promettente. Questi materiali solidi, economici e con un’ampia superficie specifica possono legare la CO₂ e poi rilasciarla con meno calore a basse temperature, soprattutto se presentano gruppi funzionali contenenti azoto. Purtroppo, sebbene i vantaggi prestazionali di questi gruppi funzionali siano evidenti, i metodi di sintesi standard consentono solo di depositarli in modo casuale e in configurazioni miste, rendendo difficile stabilire quale specifica disposizione determini effettivamente prestazioni efficienti e perché.
In questo contesto, il lavoro dei ricercatori dell’Università di Chiba descrive la sintesi e la caratterizzazione approfondita di una nuova classe di materiali carboniosi chiamati “viciaziti”, che contengono una configurazione attentamente controllata di gruppi azotati in posizioni adiacenti. L’articolo è stato pubblicato online sulla rivista Carbon.
Gli scienziati hanno sintetizzato tre diversi viciaziti, ciascuno con un diverso tipo di accoppiamento di azoti adiacenti. Per introdurre gruppi amminici primari adiacenti (gruppi –NH2), hanno carbonizzato un composto chiamato coronene ad alta temperatura, quindi hanno trattato il materiale con bromo e infine con ammoniaca gassosa. Questo processo in tre fasi ha prodotto gruppi –NH2 adiacenti con una selettività del 76%, il che significa che la stragrande maggioranza dell’azoto introdotto si è ritrovata nella configurazione desiderata. Gli altri due materiali sono stati realizzati utilizzando precursori diversi: uno con azoto pirrolico adiacente è stato sintetizzato con una selettività dell’82%, e l’altro con azoto piridinico adiacente con una selettività del 60%.
I risultati degli esperimenti
I test prestazionali hanno mostrato chiare differenze tra le tre configurazioni. I materiali con gruppi –NH2 adiacenti e azoto pirrolico adiacente hanno entrambi superato le fibre di carbonio non trattate nell’assorbimento di CO2, mentre i gruppi di azoto piridinico adiacenti hanno mostrato scarsi benefici. Il risultato più sorprendente è stato osservato con il desorbimento, ovvero il processo di rilascio della CO₂ catturata per rigenerare il materiale. “La valutazione delle prestazioni ha rivelato che nei materiali a base di carbonio in cui i gruppi NH2 sono introdotti in prossimità, la maggior parte dell’anidride carbonica adsorbita desorbe a temperature inferiori a 60 °C. Combinando questa proprietà con il calore di scarto industriale, potrebbe essere possibile ottenere processi efficienti di cattura dell’anidride carbonica con costi operativi sostanzialmente ridotti” sottolinea Yasuhiro Yamada, a capo della ricerca. Inoltre, il materiale contenente azoto pirrolico, pur rilasciando CO₂ a una temperatura più elevata, potrebbe rivelarsi più durevole nel lungo periodo grazie alla sua superiore capacità di assorbimento.
Nel complesso, dimostrando che le configurazioni di azoto adiacenti possono essere costruite in modo deliberato e riproducibile, questo studio stabilisce un promettente quadro di progettazione per la prossima generazione di materiali per la cattura del carbonio. “La nostra motivazione è contribuire alla società del futuro e utilizzare i materiali a base di carbonio recentemente sviluppati con strutture controllate. Questo lavoro fornisce percorsi validati per sintetizzare materiali a base di carbonio drogati con azoto, offrendo il controllo a livello molecolare essenziale per lo sviluppo di tecnologie di cattura della CO₂ di nuova generazione, economiche e avanzate” conclude Yamada. I ricercatori osservano inoltre che i materiali a base di viciazite potrebbero trovare applicazioni al di là della cattura dell’anidride carbonica, come adsorbenti per ioni metallici e catalizzatori, data la natura precisa e sintonizzabile della loro chimica superficiale.
Foto: Professore associato Yasuhiro Yamada dell’Università di Chiba, Giappone
