Nanostructured materials for energy: synthesis and chemical-physical characterization for gas adsorption applications

Abstract

Il termine nanoscienze definisce lo studio di fenomeni e tecniche di manipolazione dei materiali su scala atomica e molecolare, dove le proprietà differiscono notevolmente da quelle osservate su scale maggiori. Attualmente la ricerca scientifica dedica grandi sforzi alla comprensione degli effetti nanometrici sulle proprietà fisico-chimiche della materia, in quanto possono essere utilizzate anche su scala diversa per sviluppare processi e prodotti caratterizzati da nuove funzioni e prestazioni, applicabili in vari settori tra cui salute, società dell'informazione, energia, trasporti, sicurezza e spazio. Relativamente alle nanoscienze, la progettazione, lo sviluppo e la creazione di materiali, sistemi e dispositivi attraverso il controllo della materia su scala nanometrica sono definite come nanotecnologie. Tra di esse, esistono tecniche e processi di preparazione in grado di ottenere materiali nanoporosi per applicazioni nel settore chimico, energetico o dei trasporti.Proprio in tale ambito si inquadra questo lavoro di tesi che è focalizzato sullo sviluppo e la caratterizzazione di nanostrutture porose per l’adsorbimento gas. In settori strategici come quello dell’energia e dei trasporti “verdi”, immagazzinare e distribuire alcune tipologie di gas in maniera ecosostenibile ed innovativa, riducendo al contempo i costi energetici, è diventata una sfida tecnologica significativa. Ad esempio, l'aumento dell'uso di combustibili puliti e alternativi a quelli tradizionali (es. idrogeno, gas naturale, bio-metano) nell'industria automobilistica dipende molto dallo sviluppo di soluzioni di stoccaggio avanzate. In particolare, l'idrogeno può anche svolgere un ruolo fondamentale nei processi power to gas (PtG), ovvero di conversione dell'energia in eccesso proveniente da fonti rinnovabili (FER), rispondendo al problema dell'intermittenza di alcune di esse (solare ed eolico). In questo caso, la sfida è lo stoccaggio di idrogeno. Le forme tradizionali di stoccaggio come la compressione e liquefazione sono opzioni costose, mentre lo stoccaggio con materiali allo stato solido potrebbe rappresentare una soluzione interessante. Allo stesso tempo, il continuo aumento dei gas serra in atmosfera, ha portato a porre la necessità di implementare soluzioni finalizzate alla cattura o stoccaggio/utilizzo dell’anidride carbonica (CCS/U) per la mitigazione dei cambiamenti climatici. Anche se esistono già metodi di stoccaggio della CO2 (assorbimento in solventi, assorbimenti chimici, etc.), alcuni problemi come l'elevata volatilità o degradabilità hanno reso necessario trovare metodi alternativi più efficaci. Pertanto, la crescente necessità di immagazzinare alcune tipologie di gas con maggiore efficienza e sicurezza ha spinto la ricerca scientifica verso lo sviluppo di materiali adsorbenti nanostrutturati che siano in grado di migliorare questi requisiti, avere costi di produzione ridotti e capacità di rilasciare le specie assorbite senza dispendio di energia. La necessità di ottenere un addensamento del gas in condizioni termodinamiche distanti da quelle di liquefazione ha spinto la comunità scientifica ad approfondire lo studio del fenomeno della condensazione per fisisorbimento di strati molecolari sulle superfici dei materiali ad alta superficie specifica. Combinando la bassa entalpia di condensazione del gas, dovuto agli effetti dei deboli potenziali dispersivi e di interazioni che non prevedono la formazione di legame chimico, con lo sviluppo di materiali costituiti essenzialmente da superfici (materiali nano porosi) si possono sviluppare sistemi per ottenere la condensazione reversibile di grandi quantità di gas in condizioni di pressione e temperature vicini a quelle ambiente. A tal fine, una serie di materiali solidi porosi dalla struttura opportunamente ingegnerizzata (ad esempio zeoliti, strutture metallo-organiche, polimeri, carboni attivati, etc.), sono stati sviluppati e investigati durante il lavoro di ricerca focalizzando l’attenzione sulla reversibilità dei processi di adsorbimento. Tra gli adsorbenti studiati, i materiali a base di carbonio hanno mostrato una buona efficacia nella separazione e nello stoccaggio di varie specie gassose evidenziando anche vantaggi nei metodi di produzione semplici e a basso costo. Attraverso il loro utilizzo, inoltre, è possibile sviluppare una tecnologia di stoccaggio del gas reversibile e sostenibile basata sul metodo del fisisorbimento. Carboni attivati con struttura nanoporosa sono stati sviluppati e preparati in laboratorio studiando ed analizzando in dettaglio i processi di formazione della porosità e, successivamente, caratterizzando il loro comportamento all’adsorbimento dei vari gas. Allo stesso tempo, al fine di effettuare un confronto, sono state testate altre tipologie di materiali porosi sviluppate e preparate in collaborazione con gruppi di ricerca di altri dipartimenti, università o istituti. Tutti i materiali analizzati, sono stati caratterizzati con tecniche di porosimetria a 77 K e testati per l’adsorbimento delle principali specie gassose di interesse energetico, ossia CO2, CH4 e H2. Le condizioni termodinamiche (pressione e temperatura) utilizzate nelle misurazioni sono state variate in base alla tipologia di gas e agli studi effettuati. Particolare attenzione è stata posta allo studio ed analisi della struttura porosa, che insieme al parametro area di superficie specifica (SSA), influenza fortemente le proprietà chimicofisiche dei materiali e i meccanismi di interazione all’interfaccia solido-gas. Pertanto, nella valutazione delle capacità di stoccaggio per i diversi gas, la dimensione e distribuzione dei pori si è dimostrata una variabile significativa da considerare nello studio di un materiale. Per comprendere a fondo questi sistemi e il loro comportamento è stato, quindi, necessario l’utilizzo di diverse tecniche e metodi di analisi tra cui: Microscopia elettronica a scansione (SEM) e Microscopia elettronica a trasmissione (TEM), Diffrazione a raggi X (XRD), Analisi a raggi X a dispersione energetica (EDX), Spettroscopia a infrarossi in trasformata di Fourier (FTIR), tecniche volumetriche di tipo Sievert. Il lavoro di ricerca effettuato, quindi, ha portato allo sviluppo di varie metodologie per la preparazione e la sintesi di materiali con elevata superficie specifica. Quest’ultime consentono di controllare i processi di formazione della porosità permettendo di ottenere strutture nano porose omogenee adatte per l'adsorbimento di diverse specie gassose. Le nanostrutture sintetizzate hanno mostrato elevate capacità di stoccaggio, processi ciclici e alta reversibilità che, uniti al basso costo dei precursori utilizzati, rappresentano un’ottima base di partenza per l’implementazione di soluzione tecnologiche alternative a problematiche e/o esigenze del settore energetico e dei trasporti, in particolare, nella gestione ed utilizzo dell’idrogeno. I risultati raggiunti durante le attività sperimentali, svolte anche in collaborazione con altri dipartimenti, istituti di ricerca ed università, hanno portato alla redazione di una serie di lavori scientifici presentati a conferenze e pubblicati su riviste internazionali peer-reviewed.