La cattura della CO2 è una delle sfide più importanti nella lotta contro il cambiamento climatico, eppure resta una tecnologia ancora troppo costosa per essere adottata su larga scala. Un gruppo di scienziati dell’Università di Chiba, in Giappone, ha però sviluppato un nuovo materiale a base di carbonio che potrebbe cambiare radicalmente le cose. Il punto chiave? Questo materiale riesce a rilasciare l’anidride carbonica catturata a temperature inferiori ai 60 °C, il che significa che potrebbe funzionare sfruttando il calore di scarto industriale invece di richiedere energia costosa.
Il problema con i sistemi attuali è piuttosto noto. La tecnica più diffusa nell’industria, il cosiddetto lavaggio con ammine acquose, richiede di riscaldare grandi quantità di liquido oltre i 100 °C per liberare la CO2 catturata e riutilizzare la soluzione. Un processo energivoro che fa lievitare i costi operativi e rende complicato pensare a un impiego davvero capillare. I materiali solidi a base di carbonio rappresentano già un’alternativa più pratica, perché sono economici, hanno una superficie ampia capace di intrappolare la CO2 e possono rilasciarla con meno calore. Il limite, fino a oggi, era che i gruppi funzionali a base di azoto, fondamentali per migliorare le prestazioni, venivano distribuiti in modo casuale durante la produzione. Impossibile capire quali configurazioni funzionassero meglio.
Come funzionano i “viciaziti” e perché fanno la differenza
Il team guidato dal professor associato Yasuhiro Yamada ha creato una nuova classe di materiali chiamati viciaziti. La particolarità sta nel fatto che i gruppi di azoto vengono posizionati uno accanto all’altro in modo controllato, non più alla cieca. Sono state prodotte tre versioni diverse, ciascuna con una configurazione specifica di azoto adiacente. Per ottenere gruppi amminici primari adiacenti, i ricercatori hanno riscaldato un composto chiamato coronene, poi lo hanno trattato con bromo e infine con ammoniaca gassosa. Questo processo in tre fasi ha raggiunto una selettività del 76%, vale a dire che la maggior parte degli atomi di azoto è finita esattamente dove doveva stare. Le altre due versioni hanno utilizzato composti di partenza differenti, ottenendo azoto pirrolico adiacente con selettività dell’82% e azoto piridinico adiacente al 60%.
Ogni materiale è stato applicato su fibre di carbonio attivato per creare campioni utilizzabili. La struttura è stata verificata con tecniche come la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, la spettroscopia fotoelettronica a raggi X e la modellazione computazionale. I test hanno evidenziato differenze nette: i campioni con gruppi amminici adiacenti e azoto pirrolico hanno catturato più CO2 rispetto alle fibre non trattate, mentre la configurazione con azoto piridinico non ha offerto miglioramenti significativi.
Il rilascio a bassa temperatura apre scenari concreti
Il risultato più interessante riguarda proprio la fase di rilascio. Nei materiali con gruppi amminici adiacenti, la maggior parte della CO2 adsorbita si libera a temperature sotto i 60 °C. Come ha spiegato il professor Yamada, combinando questa proprietà con il calore di scarto industriale sarebbe possibile realizzare processi di cattura della CO2 con costi operativi drasticamente ridotti. Il materiale contenente azoto pirrolico richiede invece temperature più alte per il rilascio, ma potrebbe garantire una maggiore stabilità nel tempo grazie alla sua struttura chimica più robusta.