Utilizzando un polimero poco costoso chiamato melamina, il componente principale di Formica, i chimici hanno creato un modo economico, facile ed efficiente dal punto di vista energetico per catturare l'anidride carbonica dalle ciminiere, un obiettivo chiave per gli Stati Uniti e altre nazioni che cercano di ridurre le emissioni di gas serra .

Il processo per sintetizzare il materiale melamina, pubblicato questa settimana sulla rivista Science Advances , potrebbe essere potenzialmente ridotto per catturare le emissioni dei gas di scarico dei veicoli o di altre fonti mobili di anidride carbonica. L'anidride carbonica prodotta dalla combustione di combustibili fossili costituisce circa il 75% di tutti i gas serra prodotti negli Stati Uniti

Il nuovo materiale è semplice da realizzare e richiede principalmente polvere di melamina pronta all'uso, che oggi costa circa $ 40 per tonnellata, insieme a formaldeide e acido cianurico, una sostanza chimica che, tra gli altri usi, viene aggiunta con il cloro alle piscine.

"Volevamo pensare a un materiale per la cattura del carbonio che fosse derivato da fonti che fossero davvero economiche e facili da ottenere. E così, abbiamo deciso di iniziare con la melamina", ha affermato Jeffrey Reimer, Professore della Graduate School nel Dipartimento di Chimica e Ingegneria biomolecolare presso l'Università della California, Berkeley, e uno dei corrispondenti autori dell'articolo.

La cosiddetta rete porosa di melamina cattura l'anidride carbonica con un'efficienza paragonabile ai primi risultati di un altro materiale relativamente recente per la cattura del carbonio, strutture metalliche organiche o MOF. I chimici della UC Berkeley hanno creato il primo MOF a cattura di carbonio di questo tipo nel 2015 e le versioni successive si sono dimostrate ancora più efficienti nel rimuovere l'anidride carbonica dai gas di combustione, come quelli di una centrale elettrica a carbone.

Ma Haiyan Mao, un borsista post-dottorato della UC Berkeley che è il primo autore del documento, ha affermato che i materiali a base di melamina utilizzano ingredienti molto più economici, sono più facili da realizzare e sono più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alla maggior parte dei MOF. Il basso costo della melamina porosa significa che il materiale potrebbe essere ampiamente utilizzato.

"In questo studio, ci siamo concentrati sulla progettazione di materiali più economici per la cattura e lo stoccaggio e sul chiarimento del meccanismo di interazione tra CO₂ e il materiale", ha detto Mao. "Questo lavoro crea un metodo di industrializzazione generale verso la CO₂ sostenibile catturare utilizzando reti porose. Ci auguriamo di poter progettare un futuro accessorio per la cattura dei gas di scarico delle auto, o forse un collegamento a un edificio o anche un rivestimento sulla superficie dei mobili."

Il lavoro è una collaborazione tra un gruppo dell'UC Berkeley guidato da Reimer; un gruppo alla Stanford University guidato da Yi Cui, che è direttore del Precourt Institute for Energy, il Somorjai Visiting Miller Professor presso l'UC Berkeley e un ex borsista post-dottorato dell'UC Berkeley; UC Berkeley Professore della Graduate School Alexander Pines; e un gruppo alla Texas A&M University guidato da Hong-Cai Zhou. Jing Tang, borsista post-dottorato presso Stanford e presso lo Stanford Linear Accelerator Center e visiting scholar presso l'UC Berkeley, è co-primo autore con Mao.

Carbon neutrality entro il 2050

Sebbene l'eliminazione della combustione di combustibili fossili sia essenziale per fermare il cambiamento climatico, un'importante strategia provvisoria consiste nel catturare le emissioni di anidride carbonica, il principale gas serra, e immagazzinare il gas nel sottosuolo o trasformare CO₂ in prodotti utilizzabili. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha già annunciato progetti per un totale di 3,18 miliardi di dollari per potenziare tecnologie avanzate e commercialmente scalabili per la cattura, l'utilizzo e il sequestro del carbonio (CCUS) per raggiungere un ambizioso gas di combustione CO₂ obiettivo di efficienza di cattura del 90%. L'obiettivo finale degli Stati Uniti è zero emissioni nette di carbonio entro il 2050.

Ma la cattura del carbonio è tutt'altro che commercialmente praticabile. La tecnica migliore oggi consiste nel convogliare i gas di scarico attraverso ammine liquide, che legano la CO₂ . Ma ciò richiede grandi quantità di energia per rilasciare l'anidride carbonica una volta che si è legata alle ammine, in modo che possa essere concentrata e immagazzinata sottoterra. La miscela di ammine deve essere riscaldata tra 120 e 150 gradi Celsius (250-300 gradi Fahrenheit) per rigenerare la CO₂ .

Al contrario, la rete porosa di melammina con modifica di DETA e acido cianurico cattura CO₂ a circa 40 gradi Celsius, leggermente al di sopra della temperatura ambiente, e lo rilascia a 80 gradi Celsius, al di sotto del punto di ebollizione dell'acqua. Il risparmio energetico deriva dal non dover riscaldare la sostanza ad alte temperature.

Nella sua ricerca, il team di Berkeley/Stanford/Texas si è concentrato sulla melamina polimerica comune, che viene utilizzata non solo nella formica, ma anche nelle stoviglie e utensili economici, nei rivestimenti industriali e in altre materie plastiche. Il trattamento della polvere di melamina con formaldeide, cosa che i ricercatori hanno fatto in quantità di un chilogrammo, crea pori su scala nanometrica nella melamina che i ricercatori pensavano potessero assorbire CO₂ .

Mao ha detto che i test hanno confermato che la melamina trattata con formaldeide ha adsorbito CO₂ in qualche modo, ma l'adsorbimento potrebbe essere molto migliorato aggiungendo un'altra sostanza chimica contenente ammina, DETA (dietilenetriamina), per legare CO₂ . Lei e i suoi colleghi hanno successivamente scoperto che l'aggiunta di acido cianurico durante la reazione di polimerizzazione aumentava notevolmente la dimensione dei pori e migliorava radicalmente la CO₂ efficienza di cattura:quasi tutta l'anidride carbonica in una miscela di gas di combustione simulata è stata assorbita in circa 3 minuti.

L'aggiunta di acido cianurico ha anche permesso di riutilizzare il materiale più e più volte.

Mao e i suoi colleghi hanno condotto studi di risonanza magnetica nucleare (NMR) allo stato solido per capire come l'acido cianurico e il DETA interagissero per rendere così efficiente la cattura del carbonio. Gli studi hanno dimostrato che l'acido cianurico forma forti legami idrogeno con la rete di melammina che aiuta a stabilizzare DETA, impedendogli di fuoriuscire dai pori della melammina durante i cicli ripetuti di cattura e rigenerazione del carbonio.

"Ciò che Haiyan e i suoi colleghi sono stati in grado di mostrare con queste eleganti tecniche è esattamente come questi gruppi si mescolano, esattamente come CO₂ reagisce con loro e che in presenza di questo acido cianurico che apre i pori, è in grado di ciclare CO₂ acceso e spento molte volte con una capacità che è davvero abbastanza buona", ha detto Reimer. "E la velocità con cui CO₂ l'adsorbimento è in realtà piuttosto rapido, rispetto ad altri materiali. Quindi, tutti gli aspetti pratici su scala di laboratorio di questo materiale per CO₂ sono state soddisfatte ed è incredibilmente economico e facile da realizzare."

"Utilizzando tecniche di risonanza magnetica nucleare allo stato solido, abbiamo sistematicamente chiarito con dettagli senza precedenti a livello atomico il meccanismo della reazione delle reti amorfe con CO₂ ", ha detto Mao. "Per la comunità energetica e ambientale, questo lavoro crea una famiglia di rete a stato solido ad alte prestazioni insieme a una comprensione approfondita dei meccanismi, ma incoraggia anche l'evoluzione della ricerca sui materiali porosi da tentativi ed errori metodi di modulazione razionale, passo dopo passo, a livello atomico."

I gruppi Reimer e Cui stanno continuando a modificare la dimensione dei pori e i gruppi amminici per migliorare l'efficienza di cattura del carbonio delle reti porose di melamina, pur mantenendo l'efficienza energetica. Ciò comporta l'uso di una tecnica chiamata chimica combinatoria dinamica per variare le proporzioni degli ingredienti per ottenere CO₂ efficace, scalabile, riciclabile e ad alta capacità cattura.

Reimer e Mao hanno anche collaborato strettamente con il gruppo Cui a Stanford per sintetizzare altri tipi di materiali, comprese membrane nanoporose gerarchiche - una classe di nanocompositi combinati con una sfera di carbonio e ossido di grafene - e carboni nanoporosi gerarchici ricavati dal legno di pino, per adsorbire il carbonio biossido. Reimer ha sviluppato l'NMR allo stato solido specificamente per caratterizzare il meccanismo mediante il quale i materiali solidi interagiscono con l'anidride carbonica, al fine di progettare materiali migliori per la cattura del carbonio dall'ambiente e l'accumulo di energia. Cui ha sviluppato una piattaforma a stato solido robusta e sostenibile e tecniche di fabbricazione per la creazione di nuovi materiali per affrontare il cambiamento climatico e lo stoccaggio di energia. + Esplora ulteriormente

La cattura del carbonio assume una forma spugnosa con un nuovo metodo conveniente