Catturare e immagazzinare l’anidride carbonica prodotta dagli esseri umani è fondamentale per ridurre i gas serra atmosferici e rallentare il riscaldamento globale, ma le attuali tecnologie di cattura del carbonio funzionano bene solo per le fonti concentrate, come i gas di scarico delle centrali elettriche. Gli stessi metodi non possono catturare in modo efficiente l’anidride carbonica dall’aria ambiente, dove le concentrazioni sono centinaia di volte inferiori rispetto ai gas di scarico.
Catturare il carbonio per ridurre il riscaldamento globale
Eppure si conta sulla cattura diretta dell’aria, o DAC, per invertire l’aumento dei livelli di CO 2, che hanno raggiunto 426 parti per milione (ppm), il 50% in più rispetto ai livelli precedenti alla Rivoluzione industriale. Senza di essa, secondo l’Intergovernmental Panel on Climate Change, non raggiungeremo l’obiettivo dell’umanità di limitare il riscaldamento a 1,5 °C (2,7 °F) al di sopra delle medie globali preesistenti.
Un nuovo tipo di materiale assorbente sviluppato dai chimici dell’Università della California, Berkeley, potrebbe aiutare a ridurre le emissioni di carbonio. Il materiale poroso, un framework organico covalente (COF), cattura la CO2 dall’aria ambiente senza degradazione da parte dell’acqua o di altri contaminanti, uno dei limiti delle attuali tecnologie DAC.
“Abbiamo preso una polvere di questo materiale, l’abbiamo messa in una provetta e abbiamo fatto passare aria di Berkeley, solo aria esterna, nel materiale per vedere come si sarebbe comportato, ed era meraviglioso. Ha ripulito completamente l’aria dal carbonio. Tutto”, ha detto Omar Yaghi, James and Neeltje Tretter Professor of Chemistry presso l’UC Berkeley e autore senior di un articolo pubblicato sulla rivista Nature.
“Ne sono entusiasta perché non c’è niente di simile in termini di prestazioni. Apre nuove strade nei nostri lavori per affrontare il problema del clima“, ha aggiunto.
Un nuovo materiale che assorbe il carbonio
Secondo Yaghi, il nuovo materiale potrebbe essere facilmente sostituito nei sistemi di cattura del carbonio già implementati o in fase di sperimentazione per rimuovere il carbonio dalle emissioni delle raffinerie e catturare la CO2 atmosferica per immagazzinarla nel sottosuolo.
Zihui Zhou, ricercatore presso l’Università della California a Berkeley e primo autore dello studio, ha affermato che appena 200 grammi di questo materiale, possono assorbire in un anno la stessa quantità di carbonio di un albero.
“La cattura dei gas di combustione è un modo per rallentare il cambiamento climatico perché si cerca di non rilasciare CO2 nell’aria. La cattura diretta dell’aria è un metodo per riportarci a come eravamo 100 o più anni fa“, ha spiegato Zhou.
“Attualmente, la concentrazione di carbonio nell’atmosfera è superiore a 420 ppm, ma aumenterà fino a forse 500 o 550 prima che sviluppiamo e impieghiamo completamente la cattura dei gas di combustione. Quindi, se vogliamo ridurre la concentrazione e tornare a forse 400 o 300 ppm, dobbiamo usare la cattura diretta dell’aria”.
Yaghi è l’inventore di COF e MOF (strutture metallo-organiche), entrambe strutture cristalline rigide con pori interni regolarmente distanziati che forniscono un’ampia superficie per l’adesione o l’adsorbimento dei gas. Alcuni MOF sviluppati da lui e dal suo laboratorio possono adsorbire l’acqua dall’aria, anche in condizioni aride, e quando riscaldati, rilasciano l’acqua potabile. Ha lavorato sui MOF per catturare il carbonio fin dagli anni ’90, molto prima che il DAC fosse sugli schermi radar della maggior parte delle persone.
Due anni fa, il suo laboratorio ha creato un materiale molto promettente, il MOF-808, che assorbe il carbonio, ma i ricercatori hanno scoperto che dopo centinaia di cicli di adsorbimento e desorbimento, i MOF si sono scomposti. Questi MOF sono stati decorati all’interno con ammine ( gruppi NH 2 ), che legano efficacemente la CO 2 e sono un componente comune dei materiali di cattura del carbonio. Infatti, il metodo dominante di cattura del carbonio prevede il gorgogliamento dei gas di scarico attraverso ammine liquide che catturano l’anidride carbonica.
Yaghi ha osservato, tuttavia, che la rigenerazione ad alta intensità energetica e la volatilità delle ammine liquide ostacolano la loro ulteriore industrializzazione.
Lavorando con i colleghi, Yaghi ha scoperto perché alcuni MOF si degradano per le applicazioni DAC: sono instabili in condizioni basiche, al contrario di quelle acide, e le ammine sono basi. Lui e Zhou hanno lavorato con colleghi in Germania e Chicago per progettare un materiale più resistente, che chiamano COF-999. Mentre i MOF sono tenuti insieme da atomi metallici, i COF sono tenuti insieme da doppi legami covalenti carbonio-carbonio e carbonio-azoto, tra i legami chimici più forti in natura.
Come nel caso del MOF-808, i pori del COF-999 sono decorati internamente con ammine, consentendo l’assorbimento di più molecole di CO2 .
“Intrappolare la CO2 dall’aria è un problema molto impegnativo“, ha aggiunto Yaghi: “È energeticamente impegnativo, hai bisogno di un materiale che abbia un’elevata capacità di anidride carbonica, che sia altamente selettivo, che sia stabile all’acqua, stabile all’ossidazione, riciclabile. Deve avere una bassa temperatura di rigenerazione e deve essere scalabile. È un compito arduo per un materiale. E in generale, ciò che è stato distribuito fino a oggi sono soluzioni amminiche, che sono ad alta intensità energetica perché si basano sulla presenza di ammine in acqua, e l’acqua richiede molta energia per riscaldarsi, o materiali solidi che alla fine si degradano con il tempo”.
Yaghi e il suo team hanno trascorso gli ultimi 20 anni a sviluppare COF che hanno una struttura portante sufficientemente forte da resistere ai contaminanti, che vanno dagli acidi e basi all’acqua, allo zolfo e all’azoto, che degradano altri materiali solidi porosi. Il COF-999 è assemblato da una struttura portante di polimeri olefinici con un gruppo amminico attaccato. Una volta formato il materiale poroso, viene lavato con più ammine che si legano a NH 2 e formano polimeri amminici corti all’interno dei pori. Ogni ammina può catturare circa una molecola di carbonio.
Quando 400 ppm di aria di carbonio vengono pompate attraverso il COF a temperatura ambiente (25 °C) e 50% di umidità, raggiunge metà della capacità in circa 18 minuti e si riempie in circa due ore. Tuttavia, questo dipende dalla forma del campione e potrebbe essere accelerato fino a una frazione di minuto se ottimizzato.
Il riscaldamento a una temperatura relativamente bassa (60 °C o 140 °F) rilascia la CO 2 e il COF è pronto per assorbire di nuovo la CO 2. Può contenere fino a 2 millimoli di CO 2 per grammo, distinguendosi dagli altri assorbenti solidi.
Yaghi ha osservato che non tutte le ammine presenti nelle catene poliamminiche interne catturano attualmente il carbonio, quindi potrebbe essere possibile allargare i pori per legarne più del doppio.
Conclusioni
“Questo COF ha una solida struttura chimica e termicamente stabile, richiede meno energia e abbiamo dimostrato che può resistere a 100 cicli senza perdita di capacità. Nessun altro materiale ha dimostrato di comportarsi in questo modo“, ha spiegato Yaghi: “È fondamentalmente il miglior materiale in circolazione per la cattura diretta dell’aria”.
Conclusioni
Yaghi è ottimista sul fatto che l’intelligenza artificiale possa aiutare ad accelerare la progettazione di COF e MOF ancora migliori per la cattura del carbonio o altri scopi, in particolare identificando le condizioni chimiche necessarie per sintetizzare le loro strutture cristalline.
È direttore scientifico di un centro di ricerca presso l’UC Berkeley, il Bakar Institute of Digital Materials for the Planet (BIDMaP) , che impiega l’intelligenza artificiale per sviluppare versioni di MOF e COF facilmente implementabili ed economicamente vantaggiose per aiutare a limitare e affrontare gli impatti del cambiamento climatico.
“Siamo davvero molto entusiasti di poter unire l’intelligenza artificiale alla chimica che abbiamo sviluppato finora“, ha concluso.
