Quando Ange Nzihou, esperto nella conversione dei rifiuti della società in prodotti di valore, visitò Princeton nel 2022, portò con sé una tecnica per trasformare la biomassa di scarto in grafene, un materiale dai molteplici usi, dalle batterie alle celle solari. Sapeva che il suo approccio utilizzando un catalizzatore di ferro non tossico offriva vantaggi rispetto ai metodi esistenti che si basavano su sostanze chimiche pericolose, metalli preziosi o combustibili fossili.
C'era solo un problema:Nzihou non sapeva esattamente come funzionasse il processo.
"Nel mio lavoro di ingegnere chimico, sono spesso interessato alle proprietà finali dei materiali e al modo in cui possono essere applicati al mondo reale", ha affermato Nzihou, un illustre professore di ingegneria chimica presso l'IMT Mines Albi—CNRS in Francia che ha visitato Princeton attraverso il programma Fulbright Visiting Scholar. "Ma se vuoi ottimizzare le proprietà dei materiali che produci, devi capire cosa succede su scala nanometrica e atomica per realizzare la trasformazione."
È qui che è intervenuta in aiuto Claire White, professoressa associata di ingegneria civile e ambientale e dell'Andlinger Center for Energy and the Environment.
In qualità di ospite della facoltà di Nzihou, White ha contribuito con la sua esperienza nella caratterizzazione dei materiali su scala nanometrica e atomica per scoprire il meccanismo che ha consentito al ferro di contribuire a convertire la biomassa di scarto in grafene.
Il risultato non sono stati solo due articoli, il primo pubblicato su ChemSusChem e l'altro in Nanomateriali applicati , che descrivono in dettaglio il meccanismo e la promessa di utilizzare il ferro come catalizzatore per trasformare la biomassa di scarto, come trucioli di legno e altra biomassa ricca di cellulosa, in materiali di carbonio a valore aggiunto. È stato anche un trampolino di lancio per una collaborazione continua tra i due gruppi, che ha unito le competenze di ciascun gruppo per aggiungere nuove dimensioni ai rispettivi programmi di ricerca.
Il grafene, un foglio di carbonio puro spesso un solo atomo, viene comunemente prodotto tramite deposizione chimica da fase vapore, un processo spesso utilizzato nell'industria dei semiconduttori per produrre rivestimenti uniformi. Tuttavia, Nzihou ha affermato che la deposizione di vapori chimici spesso dipende da sostanze chimiche pericolose e tecnologie costose. Allo stesso modo, ha affermato che le alternative per la produzione di grafene impiegano tipicamente materiali tossici o proibitivi in termini di costi, nonché l'uso di fonti a base di petrolio.
Alla ricerca di un modo rispettoso dell’ambiente per produrre grafene, Nzihou e White si sono rivolti a fonti di biomassa sottoutilizzate come materiale di partenza per il processo. Sfortunatamente, la maggior parte di quella biomassa è ricca di cellulosa, un polimero presente in abbondanza nelle pareti cellulari delle piante. La cellulosa si è rivelata difficile da convertire in materiali di carbonio altamente ordinati come il grafene senza l'uso di catalizzatori di metalli tossici o delle terre rare a causa della struttura e della disposizione dei suoi legami chimici.
Ma Nzihou ha scoperto che un catalizzatore di ossido di ferro potrebbe fare il trucco. Inserendo il ferro nella biomassa e riscaldandolo in un ambiente limitato di ossigeno attraverso un processo noto come carbonizzazione, Nzihou ha dimostrato che è possibile trasformare la biomassa ricca di cellulosa in un materiale finale con estese regioni di fogli ordinati di grafene.
"Ange aveva dimostrato che era possibile utilizzare il ferro come catalizzatore", ha detto White. "Ma la vera questione era cercare di capire come il ferro fornisse questo comportamento catalitico."
La White si è rivolta alla sua esperienza nella caratterizzazione su scala atomica e nanometrica per trovare la risposta. Utilizzando tecniche come la diffusione totale dei raggi X, la spettroscopia Raman, la microscopia elettronica a trasmissione e le misurazioni magnetiche, i ricercatori hanno scoperto che nel corso del processo di riscaldamento, il catalizzatore di ossido di ferro si rompe per formare nanoparticelle all’interno della biomassa. Quando la biomassa ricca di cellulosa cominciò a dissolversi a temperature più elevate, precipitò sotto forma di strati di fogli di grafene sulla superficie delle particelle di ferro.
"Siamo stati effettivamente in grado di osservare questo guscio ordinato di atomi di carbonio che si è formato attorno a quelle nanoparticelle di ferro durante il processo", ha detto White.
È interessante notare che Nzihou e White hanno scoperto che alcune nanoparticelle di ferro più grandi supportano regioni più estese di formazione di grafene rispetto a molte nanoparticelle più piccole, un indizio utile che potrebbe informare gli sforzi futuri per aumentare il processo di trasformazione della biomassa di scarto in grafene. I ricercatori stanno inoltre continuando a perfezionare il processo per aumentare la dimensione delle regioni di grafene puro riducendo al contempo il numero di difetti nel materiale finale.
"Ora che abbiamo compreso il meccanismo, possiamo capire come migliorare il processo e ottimizzare le proprietà dei fogli di grafene rispetto al metodo convenzionale di deposizione chimica da vapore, e anche considerare modi per ridimensionarlo nel prossimo futuro." Nzihou ha detto. "Perché, in fin dei conti, il nostro lavoro è incentrato sullo sviluppo di materiali avanzati in carbonio ecologici, chiudendo al contempo il ciclo del carbonio e mitigando le emissioni di anidride carbonica."
I ricercatori hanno affermato che il progetto ha consentito loro di sfruttare le reciproche competenze per far avanzare il campo dell'utilizzo sostenibile del carbonio e da allora la partnership iniziale si è integrata in numerosi progetti di ricerca in corso.
"È stata una collaborazione entusiasmante", ha affermato White. "Non mi sarei mai immaginato di lavorare su questi materiali in carbonio sostenibili, ma questi progetti con Ange hanno fornito un'ottima opportunità per espandere il mio lavoro e aggiungere nuove dimensioni alla mia ricerca."
Per Nzihou, il periodo trascorso come borsista Fulbright in visita si è rivelato solo un'anteprima di ciò che verrà. Tornerà all'Andlinger Center nel marzo 2024 come Gerhard R. Andlinger Visiting Fellow per continuare a esplorare modi per trasformare fonti di biomassa sottoutilizzate in materiali di carbonio avanzati con proprietà specifiche per applicazioni che vanno dall'agricoltura allo stoccaggio di energia e alla CO2 sequestro.
Con White, intende ampliare la portata del suo lavoro unendo le competenze di altri membri della facoltà di Princeton come Craig Arnold, Michele Sarazen e Rodney Priestley per sviluppare una strategia per l'utilizzo sostenibile del carbonio. Il suo obiettivo è inoltre collaborare con il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) per esplorare l'uso del plasma per alimentare vari processi di produzione.
Il primo articolo, "Synthesis and Growth of Green Graphene from Biochar Revealed by Magnetic Properties of Iron Catalyst", è stato pubblicato nel novembre 2022 su ChemSusChem . Il secondo articolo, "Iron Nanoparticles to Catalyze Graphitization of Cellulose for Energy Storage Applications", è stato pubblicato nel febbraio 2023 in Applied Nano Materials .
Ulteriori informazioni: Amel C. Ghogia et al, Sintesi e crescita del grafene verde dal biochar rivelate dalle proprietà magnetiche del catalizzatore di ferro, ChemSusChem (2022). DOI:10.1002/cssc.202201864
Lina M. Romero Millán et al, Nanoparticelle di ferro per catalizzare la grafitizzazione della cellulosa per applicazioni di accumulo di energia, Nanomateriali applicati all'ACS (2023). DOI:10.1021/acsanm.2c05312
Fornito dall'Università di Princeton
