Nanostructured materials for energy: synthesis and chemical-physical characterization for gas adsorption applications
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Creato da
Conte, Giuseppe
Cipparrone, Gabriella
Agostino, Raffaele Giuseppe
Policicchio, Alfonso
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Dottorato di ricerca in Scienze e tecnologie fisiche, chimiche e dei materiali. ciclo XXXIII.
Dottorato in convenzione con il CNR; 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.Soggetto
Materiali porosi; Adsorbimento; Stoccaggio gas; Microporosità; Research Subject Categories::NATURAL SCIENCES::Physics::Atomic and molecular physics
Relazione
FIS/01;