Studio sperimentale e teorico dell'effetto di diverse funzionalità dei compositi ossido di grafene/polimero sulla cattura selettiva di CO2

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15992 (2022) Citare questo articolo

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C’è una costante necessità di tecnologie versatili per ridurre la concentrazione in continua crescita di CO2 nell’atmosfera, in grado di fornire soluzioni efficaci in diverse condizioni (temperatura, pressione) e composizione dei gas di scarico. In questo lavoro, è stata studiata una combinazione di ossido di grafene (GO) e particelle polimeriche funzionalizzate a base acquosa, come candidati versatili e promettenti per l'applicazione di cattura della CO2, con l'obiettivo di sviluppare una tecnologia di cattura della CO2 facilmente scalabile, economica e rispettosa dell'ambiente. Esistono enormi possibilità di diversi monomeri funzionali che possono essere selezionati per funzionalizzare le particelle polimeriche e per fornire CO2filia alle nanostrutture composite. La teoria del funzionale della densità (DFT) è stata impiegata per acquisire una comprensione più approfondita delle interazioni di questi materiali compositi complessi con le molecole di CO2 e N2 e per costruire una base per uno screening efficiente dei monomeri funzionali. La stima dell'energia di legame tra CO2 e una serie di compositi GO/polimero, comprendenti copolimeri di metil metacrilato, n-butilacrilato e diversi monomeri funzionali, mostra che essa dipende fortemente dalle funzionalità del polimero. In alcuni casi, manca l’effetto cooperativo del GO. Ciò è spiegato da un legame straordinariamente forte con il polimero GO, che ha indotto interazioni CO2-polimero meno efficaci. Rispetto ai risultati sperimentali, nei casi in cui le strutture nanocomposite presentavano proprietà strutturali simili, sono state raggiunte le stesse tendenze per la cattura selettiva di CO2 su N2. Oltre a nuovi materiali funzionali per la cattura della CO2 e una comprensione più approfondita delle interazioni tra le molecole di CO2 con vari materiali, questo studio dimostra inoltre che i calcoli DFT possono essere un percorso più breve verso la selezione efficiente della migliore funzionalizzazione dei materiali compositi per la cattura selettiva della CO2.

Il significativo e continuo aumento della concentrazione di gas serra nell’atmosfera si è trasformato in uno dei problemi più fondamentali e persistenti al giorno d’oggi perché le riserve di combustibili fossili sono ancora accessibili e i paesi in via di sviluppo sono in un processo di crescita economica. Tra i vari gas serra, l’anidride carbonica (CO2) è un attore chiave nello scenario del riscaldamento globale1. Anche se la capacità globale di cattura di CO2 ha raggiunto i 40 milioni di tonnellate entro il 2020, per avere un impatto significativo sul cambiamento climatico è necessario catturare gigatonnellate di CO2 all’anno2. Poiché le tecnologie energetiche verdi sono ben lontane dall’essere in grado di sostituire le fonti energetiche basate sui combustibili fossili, la riduzione delle emissioni di CO2 e, quindi, la riduzione del riscaldamento globale, è una delle questioni ambientali più impegnative al giorno d’oggi. Pertanto, lo sviluppo di tecnologie di cattura del carbonio efficienti, selettive e a basso costo è cruciale2. Strategie come l'adsorbimento chimico/fisico3, la conversione enzimatica4 e la separazione tramite membrana5 sono emerse come potenziali soluzioni.

Sono stati proposti vari adsorbenti per la cattura della CO26,7,8, vale a dire polimeri porosi, resine a scambio ionico, strutture covalenti e metallo-organiche, zeoliti, materiali a base di silice e allumina, ossidi metallici, ecc. Tuttavia, la maggior parte di soffrono di basse capacità di adsorbimento (o richiedono molto tempo per la saturazione), mancanza di buona stabilità chimico/termica e/o selettività rispetto ad altri gas, oppure hanno un'attività ridotta in presenza di umidità, come gli adsorbenti a base di zeolite9 , 10.

Gli adsorbenti a base di carbonio si stanno rivelando un'alternativa promettente per superare la maggior parte degli inconvenienti citati, grazie a una delle capacità di adsorbimento più elevate e ai requisiti energetici relativamente bassi per la rigenerazione6,7,8. Inoltre, caratteristiche come l’ampia area superficiale, la stabilità nelle operazioni del ciclo, la struttura porosa che può essere facilmente funzionalizzata e la rapida cinetica di adsorbimento li confermano come uno degli adsorbenti più promettenti. Tra questi materiali, a causa dei minori costi di produzione, sono stati considerati per uso commerciale il grafene e i suoi derivati11. Con lo scopo di migliorare ulteriormente la capacità di adsorbimento e la capacità di separazione, è stata ampiamente studiata la funzionalizzazione della superficie del grafene con eteroatomi (N, S, O, ecc.), così come la produzione di compositi con polimeri come polipirrolo12, polianilina13, poliindolo14, politiofene15 , mono-, di- e trietilene-triammina16, tetraetilenepentammina17, poli(diallildimetilammonio cloruro)/polistirene solfonato18, poli(dimetilsilossano)19, polietere a blocchi ammidici20, polietilene-immina21 e anche con strutture metallo-organiche22.