Gli impianti industriali, come quelli che producono cemento o acciaio, emettono grandi quantità di anidride carbonica, un potente gas serra, ma i gas di scarico sono troppo caldi per le tecnologie di rimozione del carbonio più moderne. Sono necessarie molta energia e acqua per raffreddare i flussi di scarico, il che ha limitato l’adozione della cattura di CO2 in alcune delle industrie più inquinanti.
Al centro a sinistra c’è uno degli elementi cristallini di una struttura metallo-organica (MOF) termicamente stabile, chiamata ZnH-MFU-4l, in grado di catturare in modo reversibile e selettivo l’anidride carbonica, un gas serra, da una miscela di molti gas importanti per l’industria . A sinistra è evidenziata la CO2, tra le molecole di azoto, ossigeno, idrogeno, monossido di carbonio e acqua. Il MOF può catturare la CO2 per molti cicli a 300°C, la temperatura tipica dei flussi di scarico delle acciaierie e del cemento. I gruppi di idruro di zinco del MOF si legano e rilasciano in modo reversibile molecole di anidride carbonica (a destra). Le sfere azzurre, grigie, blu, rosse e bianche rappresentano rispettivamente gli atomi di Zn, C, N, O e H.
Rachel Rohde, Kurtis Carsch e Jeffrey Long, UC Berkeley
I chimici dell’Università della California, Berkeley, hanno scoperto che un materiale poroso può agire come una spugna per catturare la CO2 a temperature vicine a quelle di molti flussi di scarico industriali. Questo materiale – un tipo di struttura metallo-organica, o MOF – sarà descritto in un articolo che sarà pubblicato nell’edizione cartacea del 15 novembre della rivista Scienza.
Il metodo dominante per catturare il carbonio dalle centrali elettriche o dalle emissioni industriali utilizza ammine liquide per assorbire la CO2, ma la reazione è efficace solo a temperature comprese tra 40 e 60 °C (100-140 °F). Gli impianti di produzione di cemento e acciaio producono gas di scarico che superano i 200 C (400 F) e alcuni gas di scarico industriali si avvicinano ai 500 C (930 F). I nuovi materiali attualmente in fase di test, inclusa una sottoclasse di MOF con ammine aggiunte, si decompongono a temperature superiori a 150°C (300°F) o sono molto meno efficaci.
“Sono necessarie infrastrutture costose per portare questi flussi di gas caldo e raffreddarli alle temperature adeguate affinché le tecnologie esistenti di cattura del carbonio funzionino”, ha affermato Kurtis Carsch, ricercatore post-dottorato presso l’UC Berkeley e uno dei primi due autori dell’articolo. “La nostra scoperta è destinata a cambiare il modo in cui gli scienziati pensano alla cattura del carbonio. Abbiamo scoperto che un MOF può catturare l’anidride carbonica a temperature senza precedenti – temperature che sono rilevanti per molti processi di emissione di anidride carbonica. Si tratta di qualcosa che in precedenza non era considerato possibile per un materiale poroso.
“Il nostro lavoro si allontana dallo studio predominante dei sistemi di cattura del carbonio basati sulle ammine e dimostra un nuovo meccanismo per la cattura del carbonio in un MOF che consente il funzionamento ad alta temperatura”, ha affermato la studentessa laureata Rachel Rohde della UC Berkeley e coautrice dello studio il primo foglio.
Come tutti i MOF, il materiale presenta una rete porosa e cristallina di ioni metallici e legami organici, con una superficie interna equivalente a circa sei campi da calcio per cucchiaio: un’enorme superficie per l’assorbimento dei gas.
«Grazie alla loro struttura unica, i MOF hanno un’alta densità di siti dove è possibile catturare e rilasciare CO2 in condizioni adeguate», spiega Carsch.
In condizioni simulate, i ricercatori hanno dimostrato che questo nuovo tipo di MOF può catturare la CO2 calda a concentrazioni corrispondenti ai flussi di scarico degli impianti di produzione di cemento e acciaio, che contengono in media dal 20 al 30% di CO2, nonché emissioni meno concentrate provenienti da fonti naturali centrali elettriche a gas, che contengono circa il 4% di CO2.
Rimuovere la CO2 dalle emissioni industriali e dalle centrali elettriche, dopo averla immagazzinata nel sottosuolo o utilizzata per produrre combustibili o altri prodotti chimici a valore aggiunto, è una strategia chiave per ridurre i gas serra che stanno riscaldando la Terra e cambiando il clima su scala globale. Mentre le fonti di energia rinnovabile stanno già riducendo la necessità di centrali elettriche che emettono CO2 e bruciano combustibili fossili, gli impianti industriali che fanno un uso intensivo di combustibili fossili sono più difficili da rendere sostenibili e la cattura dei gas di scarico è quindi essenziale.
“Dobbiamo iniziare a pensare alle emissioni di CO2 provenienti da industrie, come quella dell’acciaio e del cemento, che sono difficili da decarbonizzare, perché è probabile che continueranno a emettere CO2 anche se la nostra infrastruttura energetica si sposterà sempre più verso le energie rinnovabili”, ha affermato il Sig. Rohde.
Passando dalle ammine agli idruri metallici
Rohde e Carsch conducono ricerche nel laboratorio di Jeffrey Long, professore di chimica, ingegneria chimica e biomolecolare e scienza e ingegneria dei materiali alla UC Berkeley. Il signor Long svolge ricerche sui MOF che assorbono CO2 da più di dieci anni. Nel 2015, il suo laboratorio ha creato un materiale promettente che è stato sviluppato dalla startup di Mr. Long, Mosaic Materials, che è stata acquisita nel 2022 dalla società di tecnologia energetica Baker Hughes. Questo materiale contiene ammine che catturano la CO2; Si stanno testando varianti di prossima generazione come alternative alle ammine acquose per la cattura della CO2 in impianti pilota e come mezzo per catturare la CO2 direttamente dall’aria ambiente.
Ma questi MOF, come altri adsorbenti porosi, sono inefficaci alle alte temperature associate a molti gas di combustione, ha detto Carsch.
Gli adsorbenti a base amminica, come quelli sviluppati da Long, sono da decenni al centro della ricerca sulla cattura del carbonio. Il MOF studiato da Rohde, Carsch, Long e colleghi presenta pori decorati con siti di idruro di zinco, che legano anche la CO2. Questi siti si sono rivelati sorprendentemente stabili, ha affermato Rohde.
“Gli idruri metallici molecolari possono essere reattivi e non molto stabili”, spiega Rohde. “Questo materiale è molto stabile e consente quella che viene chiamata cattura profonda del carbonio, il che significa che può catturare il 90% o più della CO2 con cui entra in contatto, che è davvero ciò di cui hai bisogno per la cattura puntiforme. Le sue capacità di cattura della CO2 sono paragonabili ai MOF a base amminica, ma a temperature molto più elevate.
Una volta che il MOF è pieno di CO2, può essere rimosso, o desorbito, abbassando la pressione parziale della CO2, lavandolo con un altro gas o mettendolo sotto vuoto. Il MOF è quindi pronto per essere riutilizzato per un altro ciclo di adsorbimento.
“Poiché l’entropia favorisce sempre più la presenza di molecole come la CO2 nella fase gassosa all’aumentare della temperatura, si pensava generalmente che fosse impossibile catturare queste molecole utilizzando un solido poroso a temperature superiori a 200°C”, ha detto Long. “Questo lavoro dimostra che con la giusta funzionalità – qui, i siti di idruro di zinco – la cattura rapida, reversibile e ad alta capacità della CO2 può effettivamente essere ottenuta a temperature elevate come 300 C.”
Rohde, Long e i loro colleghi stanno studiando le variazioni di questo MOF di idruro metallico per vedere quali altri gas possono adsorbire, nonché le modifiche che consentiranno a questi materiali di assorbire ancora più CO2.
“Siamo fortunati ad aver fatto questa scoperta, che ha aperto nuove strade nella scienza della separazione, incentrata sulla progettazione di adsorbenti funzionali che possono funzionare a temperature elevate”, ha affermato Carsch, che ha accettato una cattedra presso il Dipartimento di Chimica dell’Università del Texas a Austin. “Esistono numerosi modi per regolare lo ione metallico e l’elemento legante nei MOF, quindi potrebbe essere possibile progettare razionalmente tali adsorbenti per altri processi di separazione del gas ad alta temperatura rilevanti per l’industria e lo sviluppo sostenibile.
