Membrane ad alta selettività in grafene migliorano l'efficienza della cattura di CO₂

6 luglio 2024 articolo

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

Ridurre le emissioni di anidride carbonica (CO₂) è un passo cruciale verso la mitigazione del cambiamento climatico e la protezione dell'ambiente sulla Terra. Una tecnologia proposta per ridurre le emissioni di CO₂, in particolare dalle centrali elettriche e dagli stabilimenti industriali, è la cattura del carbonio.

La cattura del carbonio comporta la separazione della CO₂ dalle emissioni gassose miste e la sua cattura per impedirne il rilascio nell'aria. Un approccio per fare questo è utilizzare membrane speciali che fungano da 'barriere' selettive, permettendo alla CO₂ di attraversarle e assorbirla, bloccando però il passaggio degli altri gas.

Finora, sviluppare membrane ad alte prestazioni e a basso costo in grado di catturare la CO₂ si è dimostrato difficile. Questo ha notevolmente ridotto il potenziale di queste soluzioni per le applicazioni nel mondo reale.

Ricercatori dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hanno recentemente introdotto nuove membrane di grafene che potrebbero permettere una cattura del carbonio ad alte prestazioni. Queste membrane, presentate in un articolo pubblicato su Nature Energy, incorporano azoto piridinico ai bordi dei loro pori, facilitando il legame della CO₂ ai loro pori.

'Stavamo cercando di migliorare le prestazioni di separazione delle membrane di grafene,' ha detto Kumar Varoon Agrawal, autore corrispondente dell'articolo, a Phys.org. 'Abbiamo lavorato molto per aumentare la porosità del grafene, migliorare la distribuzione dimensionale dei pori e aggiungere gruppi polimerici ai pori per migliorare la selettività CO2/N2 oltre a ottenere alta permeanza di CO2. Tuttavia, ottenevamo alta permeanza o alta selettività, ma non entrambe.'

Dopo aver esaminato la letteratura precedente e condotto i loro studi per sviluppare membrane per la cattura del carbonio, Agrawal e i suoi colleghi si sono resi conto che membrane a base di grafene che esibivano sia alta selettività che permeanza mancavano ancora. Per avvicinarsi allo sviluppo di queste soluzioni, hanno deciso di ideare un metodo che avrebbe migliorato il legame della CO₂ ai pori del grafene.

Il metodo proposto comporta l'esposizione dell'ammoniaca a grafene ossidato a singolo strato a temperatura ambiente. Questo processo è stato trovato per incorporare azoto piridinico ai bordi dei pori della membrana, il che aumenta il legame di questi pori con la CO2.

'Abbiamo introdotto N atomico nel poro del grafene sotto forma di N piridinico,' ha detto Agrawal. 'Questa forma di N ha una alta affinità per la CO2. Questo approccio è vantaggioso perché il reticolo di grafene rimane atomico-sottile e ci permette di ottenere sia alta selettività che permeanza.'

I ricercatori hanno scoperto che il loro metodo ha portato a membrane con un fattore di separazione medio CO2/N2 promettente di 53 e una permeanza media di CO2 di 10.420 da un flusso contenente il 20% in volume di CO2. Per un flusso diluito di CO2 con una percentuale in volume di circa 1, la membrana ha raggiunto fattori di separazione superiori a 1.000.

'Abbiamo potuto effettuare l'incorporazione di N piridinico con un metodo semplice, semplicemente immergendo il grafene poroso in ammoniaca,' ha detto Agrawal. 'Abbiamo notato che questo ha portato a un notevole miglioramento della selettività CO2/N2 pur mantenendo una permeanza eccezionale. Inoltre, ciò ha portato a una selettività CO2/N2 estremamente alta per un flusso diluito di CO2, superiore a 1.000, che è estremamente attraente.'

Le membrane di grafene sviluppate da Agrawal e i suoi colleghi e l'approccio utilizzato per fabbricarle potrebbero aprire nuove opportunità per l'implementazione su larga scala delle tecniche di cattura del carbonio. Ora i ricercatori stanno lavorando per scalare le membrane e semplificarne la fabbricazione mediante sintesi roll-to-roll, per facilitare la loro futura commercializzazione.

Informazioni sul giornale: Nature Energy

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