Fortificato con ferro:non è più solo per i cereali per la colazione. I ricercatori dell'Università dell'Illinois hanno dimostrato un metodo più semplice per aggiungere ferro a minuscole sfere di carbonio per creare materiali catalitici che hanno il potenziale per rimuovere i contaminanti da gas o liquidi.

Professore di ingegneria civile e ambientale Mark Rood, lo studente laureato John Atkinson e il loro team hanno descritto la loro tecnica nel diario Carbonio .

Le strutture in carbonio possono essere una base di supporto per catalizzatori, come ferro e altri metalli. Il ferro è un prodotto facilmente reperibile, catalizzatore a basso costo con possibili applicazioni catalitiche per celle a combustibile e applicazioni ambientali per l'assorbimento di sostanze chimiche nocive, come arsenico o monossido di carbonio. I ricercatori producono una matrice di carbonio che ha molti pori o tunnel, come una spugna. L'ampia superficie creata dai pori fornisce siti per disperdere minuscole particelle di ferro in tutta la matrice.

Una fonte comune di carbonio è il carbone. Tipicamente, gli scienziati modificano i materiali a base di carbone in carbone attivo altamente poroso e poi aggiungono un catalizzatore. Il processo in più fasi richiede tempo ed enormi quantità di energia. Inoltre, i materiali realizzati con il carbone sono afflitti dalla cenere, che possono contenere tracce di altri metalli che interferiscono con la reattività del catalizzatore a base di carbonio.

La squadra dell'Illinois è senza cenere, processo poco costoso prende il suo carbonio dallo zucchero piuttosto che dal carbone.

In un processo continuo, produce piccoli, sfere micrometriche di materiale poroso, carbonio spugnoso incastonato con nanoparticelle di ferro - tutto nell'arco di pochi secondi.

"Questo è ciò che lo distingue davvero dalle altre tecniche. Alcune persone hanno carbonizzato e impregnato di ferro, ma non hanno superficie. Altre persone hanno una superficie ma non sono stati in grado di caricarla con il ferro, " Ha detto Atkinson. "La nostra tecnica fornisce sia la superficie del carbonio che le nanoparticelle di ferro".

I ricercatori si sono basati su una tecnica chiamata pirolisi a spruzzo ad ultrasuoni (USP), sviluppato nel laboratorio del professore di chimica della University of I. Kenneth Suslick nel 2005. Suslick ha utilizzato un umidificatore domestico per produrre una nebbia fine da una soluzione ricca di carbonio, poi diresse la nebbia attraverso una fornace estremamente calda, che evaporava l'acqua da ogni goccia e lasciava minuscola, sfere di carbonio altamente porose.

Atkinson ha usato la USP per creare le sue sfere di carbonio, ma ha aggiunto un sale contenente ferro a una soluzione zuccherina ricca di carbonio. Quando la nebbia viene convogliata nella fornace, il calore stimola una reazione chimica tra gli ingredienti della soluzione che crea sfere di carbonio con particelle di ferro disperse ovunque.

"Siamo stati in grado di sfruttare la tecnica USP del Dr. Suslick, e ci stiamo costruendo impregnando simultaneamente i carboni porosi con nanoparticelle metalliche, " Ha detto Atkinson. "È semplice perché è continuo. Possiamo isolare il carbonio, aggiungere pori, e impregnare il ferro nelle sfere di carbonio in un unico passaggio."

Un altro vantaggio della tecnica USP è la capacità di creare materiali per soddisfare esigenze particolari. Fabbricando il materiale da zero, piuttosto che cercare di modificare i prodotti standard, scienziati e ingegneri possono sviluppare materiali per scenari specifici di risoluzione dei problemi.

"Proprio adesso, prendi il carbone dal terreno e lo modifichi. È difficile adattarlo per risolvere un particolare problema di qualità dell'aria, " ha detto Rood. "Possiamo facilmente cambiare questo nuovo materiale da come viene attivato per adattare la sua superficie e la quantità di ferro impregnato. Questo metodo è semplice, flessibile e personalizzabile."

Prossimo, i ricercatori esploreranno le applicazioni per il materiale. Rood e Atkinson hanno ricevuto due sovvenzioni dalla National Science Foundation per sviluppare le sfere di ferro e carbonio per rimuovere l'ossido nitrico, mercurio, e diossina dai flussi di gas - inquinanti bioaccumulanti che hanno causato preoccupazione come emissioni da fonti di combustione.

Attualmente, i tre inquinanti possono essere trattati separatamente da adsorbenti e catalizzatori a base di carbonio, ma il team dell'Illinois e i collaboratori a Taiwan sperano di sfruttare le proprietà di adsorbimento del carbonio e la reattività del ferro per rimuovere contemporaneamente tutti e tre gli inquinanti dai flussi di gas.

"Stiamo cercando di sfruttare la loro porosità e, idealmente, anche le loro applicazioni catalitiche, " Ha detto Atkinson. "Il carbonio è un materiale molto versatile. Quello che ho in mente è un controllo multi-inquinante in cui puoi usare la porosità e il catalizzatore per affrontare due problemi contemporaneamente".