Lunedì, 12 settembre 2022

Materiali nanoporosi per stoccaggio e purificazione di gas

Tutte le novità sul Progetto Dipartimenti di Eccellenza - FLEXILAB
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L'immagazzinamento di gas quali H2 e CH4 e la cattura della CO2 sono strettamente correlati all’uso di energia pulita, alla protezione dell’ambiente e alla produzione industriale per garantire uno sviluppo sostenibile del nostro pianeta. In particolare, l’immagazzinamento di H2 e CH4 è indispensabile per l’uso di energia pulita mentre la separazione e purificazione di CO2 è fondamentale per ridurre l’effetto serra. Negli ultimi decenni è stato fatto un ampio progresso nel campo della sintesi di materiali ultramicro e microporosi con particolare enfasi alle proprietà chimico-fisiche desiderate per raggiungere le prestazioni richieste nell’ambito dello stoccaggio e della separazione.

Uno dei cinque temi di ricerca affrontati dal Progetto FLEXILAB, Progetto "Dipartimenti di Eccellenza" 2018-2022 riguarda proprio lo stoccaggio di gas per l'utilizzo di energia pulita e la purificazione della CO2 per ridurre l’effetto serra.

Intervistiamo la Prof.ssa Angiolina Comotti, docente di Chimica Industriale del Dipartimento di Scienza dei Materiali e work package leader di questa attività di ricerca, per capire quali sono le potenzialità di questi materiali nanoporosi e quali sono stati i risultati raggiunti durante il progetto.

Qual’ è l’obiettivo di FLEXILAB sui materiali nanoporosi?

Il progetto prevede la progettazione, la sintesi e la caratterizzazione strutturale di materiali nanoporosi innovativi che forniscono alta capacità di adsorbimento e garantiscono elevata selettività e specificità per i gas selezionati. Le linee guida per costruire le architetture porose si basano sui principi di autoassemblaggio e auto-organizzazione con geometrie dei canali e cavità adatte alle dimensioni dei gas di interesse.

Quali sono i vantaggi di questo tipo di materiali porosi rispetto a quelli tradizionali come zeoliti e carboni attivi?

Rispetto ai materiali porosi tradizionali, queste nuove classi di materiali come metal-organic frameworks (MOFs), polimeri 3D organici porosi (POPs) e materiali molecolari cristallini (PCMs) offrono un’elevata area superficiale, una struttura modulabile ed una ampia gamma di funzionalità che li rende promettenti per applicazioni in questo campo.

Quali sono i risultati raggiunti?

Sono stati sviluppati nuovi materiali ultramicroporosi dotati di elevata mobilità e flessibilità che contengono cavità di dimensioni nanometriche e si riarrangiano in presenza di gas, incrementando la quantità di gas catturato. In particolare, sono stati sintetizzati Metal-Organic Frameworks a base di cluster inorganici di Zn e Zr; quest’ultimi sono particolarmente stabili all’aria e resistenti fino alle temperature di 300°C e quindi adatti a condizioni operative ambientali. Nuovi MOFs a base di ioni Fe e contenenti leganti fluorurati hanno permesso di generare dipoli C-F senza ridurre eccessivamente lo spazio disponibile ai gas nei pori. Questi legami C-F permettono di evidenziare il ruolo delle interazioni fluoro-idrogeno e di incrementare l’efficienza di cattura dei gas quali CO2 e CH4. E’ stato inoltre investigato il ruolo giocato dalla dimensione dei pori nel migliorare le energie di interazione gas-matrice e si è dedotto che i pori di 4-5 Å risultano essere ideali per H2 e CO2.

La capacità di assorbimento dei materiali e la flessibilità è stata studiata mediante l’utilizzo di assorbitori di gas che operano a diverse temperature da 77 K fino a 350 K e pressioni fino a 20 bar. L’energia di interazione gas-matrice, che rappresenta il parametro fondamentale per valutare le prestazioni dei materiali porosi nella cattura dei gas, è stata misurata in situ mediante l’uso del microcalorimetro accoppiato all’apparato delle isoterme di assorbimento. Sono stati misurati valori rilevanti di interazione CO2-matrice di 35 kJ/mole: questo valore permette sia una alta efficienza di cattura che di rilascio in condizioni ambientali e garantisce una ottima “working capacity”.

Polimeri porosi di natura totalmente covalente, costituiti da unità tetraedriche sono stati utilizzati allo scopo di realizzare materiali “switchable”. Interruttori molecolari inseriti nel framework hanno permesso di modulare a comando la quantità di gas assorbito, mediante l’irraggiamento di radiazioni UV-visibile. Questa strategia è particolarmente innovativa perché permette di controllare sia lo stoccaggio che il rilascio di gas mediante uno stimolo esterno, ottimizzando il “delivery cycle”.