Il riscaldamento globale è stato attribuito al forte aumento delle emissioni di gas serra che intrappolano il calore, in particolare CO2 emissioni. Tecnologia di cattura del carbonio, come l'utilizzo di adsorbenti per catturare e immagazzinare CO2 dall'aria ambiente, è una soluzione promettente per mitigare le emissioni.
Gli assorbenti liquidi sono tradizionalmente utilizzati per la cattura del carbonio, ma sono soggetti a corrosione delle apparecchiature, costi elevati ed elevati requisiti energetici per la rigenerazione. Per superare queste limitazioni, materiali solidi porosi per CO2 adsorbimento—in cui CO2 gli atomi aderiscono alla superficie del materiale solido:sono in fase di esplorazione.
Nella sua ricerca sulla cattura del carbonio, il professore associato Wu Ping dell'Università di tecnologia e design di Singapore (SUTD) si è rivolto alla mica, un minerale argilloso economico e abbondante con diverse applicazioni.
La mica forma strati di silicato di allumina simili a fogli collegati da cationi di potassio interstrato tramite legami ionici. Tuttavia, la struttura complessa rende difficile separare la mica in uno o pochi strati per formare nanofogli bidimensionali (2D) che favoriscono la CO2 catturare. Anche i metodi sviluppati da studi precedenti hanno richiesto lunghi tempi di reazione e un elevato consumo di energia.
Per sviluppare un metodo efficiente per produrre nanofogli di mica 2D, il prof. Assoc Wu e il suo team SUTD hanno collaborato con i ricercatori dell'Agenzia per la scienza, la tecnologia e la ricerca (A*STAR). Hanno pubblicato il loro articolo di ricerca "Sintesi efficiente di nanofogli di mica 2D mediante tecniche solvotermiche e assistite da microonde per CO2 applicazioni di acquisizione" in Materiali.
"Sulla base delle nostre recenti scoperte nel campo della meccanochimica, abbiamo combinato in modo innovativo le tecniche della chimica delle microonde e della meccanochimica solvotermica. Sfruttando l'energia delle microonde e dei processi solvotermici, siamo stati in grado di convertire questa energia in energia di deformazione all'interno delle interfacce solido-liquido-gas, facilitando la sintesi di nanofogli di mica esfoliata (eMica). Queste azioni determinano una rapida esfoliazione e tempi di reazione significativamente ridotti," ha spiegato il prof. Assoc Wu.
Il gruppo di ricerca ha combinato la mica naturale con l'idrossido di potassio in un solvente polare all'interno di un recipiente di reazione chiuso. Questa reazione è stata quindi riscaldata in un microonde, trasferendo energia al solvente polare che assorbe le microonde e ai reagenti. Insieme alla pressione autogenerata all'interno del recipiente, la mica è stata rapidamente esfoliata con un tempo di reazione significativamente ridotto. La mica trattata con microonde è stata quindi sonicata per espandere ulteriormente e separare gli strati. Dopo diversi cicli di purificazione, il team ha sintetizzato nanofogli di eMica.
Rispetto alla mica sfusa, gli strati di nanofogli di eMica sono più uniformi in termini di dimensioni laterali e spessore. Inoltre, i nanofogli di eMica mostrano una disposizione atomica ordinata, indicando la loro alta qualità e difetti minimi.
Il professore associato Wu e il suo team hanno poi studiato il potenziale dei nanofogli per la CO2 acquisire applicazioni. Hanno scoperto che la CO2 La capacità di adsorbimento dei nanofogli di eMica era superiore dell’87% rispetto a quella della mica sfusa. Sebbene altri tipi di materiali di adsorbimento in letteratura abbiano dimostrato una capacità maggiore, i nanofogli di eMica hanno comunque superato altri minerali argillosi che sono stati modificati per la cattura del carbonio.
La CO2 superiore La capacità di adsorbimento dei nanofogli di eMica può essere attribuita ad un'elevata area superficiale specifica e alla porosità tra i suoi strati espansi. La superficie specifica di questo materiale 2D è aumentata più di cinque volte, da 29,1 m 2 /g in mica sfusa a 171,3 m 2 /g nei nanofogli. Anche la porosità dei nanofogli era notevolmente più elevata, con il volume dei pori aumentato di sette volte, da 0,145 cc/g nella mica sfusa a 1,022 cc/g nei nanofogli eMica.
CO2 l'adsorbimento potrebbe anche essere stato potenziato da depositi di carbonato di potassio (K2 CO3 ) sui nanofogli, che si formano quando i cationi di potassio nella mica reagiscono con acqua e CO2 nell'aria. Il team ha supportato questa ipotesi con simulazioni al computer che hanno dimostrato un K2 CO3 Il monostrato di mica depositato supera sia la mica sfusa che un monostrato di mica in termini di CO2 assorbimento.
Meccanicamente, CO2 viene catturato dai nanofogli di eMica principalmente attraverso l'adsorbimento fisico, formando attrazioni elettrostatiche più deboli con la superficie. Ciò contrasta con i legami ionici più forti che si formano quando la CO2 viene assorbito chimicamente sulla superficie del nanofoglio, il che avviene in misura minore. Questo meccanismo predominante di fisiassorbimento consentirebbe una CO2 più semplice desorbimento e rigenerazione dei nanofogli di eMica.
Il team di ricerca ha scoperto che i nanofogli erano in grado di mantenere una forte capacità di adsorbimento quando sottoposti a test ciclici di adsorbimento/desorbimento, dimostrando la recuperabilità e la stabilità dei nanofogli di eMica. Il prof. Assoc Wu ritiene che questa ricerca sarà di interesse per il settore della produzione di energia, per le agenzie ambientali e di regolamentazione e per altri ricercatori che perseguono nuovi materiali e tecnologie per la CO2 catturare. Inoltre, la sua ricerca contribuisce ai piani di sostenibilità di SUTD.
"CO2 La cattura è un aspetto importante della mitigazione delle emissioni di gas serra, un aspetto chiave per la strategia di sostenibilità di SUTD. Il nostro lavoro sullo sviluppo di un metodo di sintesi efficiente è in linea con l'enfasi dell'università sulle operazioni sostenibili, nonché sull'istruzione e sulla ricerca sostenibili", ha commentato.
Andando avanti, il Prof. Assoc Wu mira a sviluppare un metodo scalabile di esfoliazione della mica ed esplorare le applicazioni della mica per la purificazione dell'acqua.
"La fabbricazione scalabile di materiali 2D utilizzando metodi sostenibili ed economici potrebbe avere implicazioni significative per l'industria e la società, come la riduzione delle emissioni di carbonio e il miglioramento dell'efficienza energetica. Nel complesso, speriamo che questa ricerca faccia avanzare la nostra comprensione dei materiali 2D e del loro potenziale applicazioni e contribuire allo sviluppo di tecnologie sostenibili e innovative", ha affermato.
Ulteriori informazioni: P. Vishakha T. Weerasinghe et al, Sintesi efficiente di nanofogli di mica 2D mediante tecniche solvotermiche e assistite da microonde per applicazioni di cattura di CO2, Materiali (2023). DOI:10.3390/ma16072921
Fornito dall'Università di Tecnologia e Design di Singapore
