Il ruolo della chimica di superficie sull'adsorbimento di CO2 nella biomassa

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8917 (2022) Citare questo articolo

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I carboni porosi derivati ​​dalla biomassa sono stati considerati uno degli adsorbenti più efficaci per la cattura della CO2, grazie alla loro struttura porosa e all’elevata area superficiale specifica. In questo studio, abbiamo sintetizzato con successo il carbonio poroso dalla biomassa di sedano ed esaminato l’effetto dei parametri di adsorbimento esterno tra cui tempo, temperatura e pressione sull’assorbimento di CO2 nelle simulazioni di dinamica sperimentale e molecolare (MD). Inoltre, è stata studiata l'influenza della chimica superficiale del carbonio (funzionalità carbossiliche e idrossiliche) e del tipo di azoto sulla cattura della CO2 utilizzando simulazioni MD. I risultati hanno mostrato che l’azoto piridinico ha una maggiore tendenza ad adsorbire CO2 rispetto a quello grafitico. Si è riscontrato che la presenza simultanea di questi due tipi di azoto ha un effetto maggiore sull'assorbimento di CO2 rispetto alla presenza individuale di ciascuno nella struttura. È stato inoltre rivelato che l'aggiunta di gruppi carbossilici (O=C–OH) alla matrice di carbonio migliora la cattura di CO2 di circa il 10%. Inoltre, aumentando il tempo di simulazione e le dimensioni della scatola di simulazione, l’errore relativo assoluto medio per i risultati della simulazione della struttura ottimale è sceso al 16%, che è un valore accettabile e rende il processo di simulazione affidabile per prevedere la capacità di adsorbimento in varie condizioni.

L’anidride carbonica (CO2), come sottoprodotto della combustione di combustibili fossili, è la causa principale di cambiamenti climatici insoliti e del riscaldamento globale1,2,3. Si stima che solo le centrali elettriche a combustibile causeranno un aumento del 50% delle emissioni di CO2 entro il 20304. Tuttavia, a causa della forte domanda di combustibili fossili, in quanto fonte di energia essenziale, le emissioni di CO2 non possono essere evitate. Pertanto, la cattura e lo stoccaggio della CO2 hanno guadagnato una notevole attenzione negli ultimi anni e sono state condotte ricerche approfondite per sviluppare materiali e nuovi approcci per un efficiente adsorbimento della CO25. Le potenziali strategie per rappresentare l’adsorbimento di CO2 sotto flussi di gas combustibile ad alta pressione includono l’assorbimento di solventi, la separazione della membrana, l’adsorbimento con oscillazione di pressione (PSA) e l’adsorbimento con oscillazione di temperatura (TSA). PSA è una scelta potenziale per la sua semplicità e praticità di funzionamento, basso costo, risparmio energetico (non è necessario il riscaldamento per la rigenerazione) e fattibilità economica, il che è particolarmente vantaggioso nel caso di attività di media e piccola scala6,7, 8. La tecnologia PSA è un processo di adsorbimento ciclico nella separazione del gas che impiega diversi adsorbenti e velocità di capacità di adsorbimento. Il tipo di adsorbente è fondamentale in questa procedura per ottenere eccellenti prestazioni di separazione9,10. Di conseguenza, è stato verificato che vari adsorbenti solidi tra cui MOF (strutture metalliche organiche), zeoliti, polimeri porosi, silice porosa funzionalizzata, ossidi metallici, carbone attivo funzionalizzato e carboni porosi sono adatti a questo scopo11. A causa delle eccezionali caratteristiche strutturali, dell’elevata area superficiale, della porosità regolabile, dell’elevata stabilità e del basso costo, i carboni porosi derivati ​​dalla biomassa sono considerati gli adsorbenti più desiderabili per la cattura della CO212.

I carboni porosi sono comunemente impiegati in applicazioni ambientali ed energetiche1. Hanno un grande potenziale come supporti e matrici catalitiche per la cattura, lo stoccaggio e la separazione del gas2,3. L’aumento dell’area superficiale, della struttura dei pori e della chimica superficiale dei carboni porosi sintetici ha recentemente portato allo sviluppo di nuovi tipi con una migliore capacità di adsorbimento di CO2. La cattura della CO2 può anche essere regolata applicando un metodo di sintesi specifico e aggiungendo gruppi funzionali come azoto, ossigeno e zolfo13,14. In particolare, diversi ricercatori hanno suggerito che la presenza di uno stretto volume di micropori nei carboni porosi aumenta la loro capacità di assorbimento di CO215.

Le molecole di CO2 vengono adsorbite selettivamente sulla superficie degli adsorbenti nei processi di adsorbimento quando non avviene alcun trasferimento di elettroni tra l'adsorbato e l'adsorbente. Il fenomeno del fisiassorbimento dei gas si verifica quando le forze di Van der Waals mantengono le molecole molto più a lungo di quanto potrebbero fare su una superficie aperta, rendendo più facile il desorbimento di CO2 e la rigenerazione degli adsorbenti per il riutilizzo16. Poiché l'adsorbimento è un comportamento complicato, è fondamentale studiare diversi adsorbenti. Inoltre, è difficile esaminare i valori di adsorbimento a temperature e pressioni non misurabili. Pertanto, è necessario prevederli su scala industriale e nanometrica. Di conseguenza, la simulazione molecolare è stata utilizzata come tecnica complementare alle misurazioni sperimentali. Fornisce una visione approfondita ed essenziale dei dettagli dell'adsorbimento e delle interazioni molecolari tra i diversi componenti di un sistema come fonte aggiuntiva di dati sulle proprietà. Gli approcci di dinamica molecolare (MD) o Monte Carlo (MC) possono essere utilizzati per stimare l'adsorbimento della solubilità del gas utilizzando metodologie microscopiche17,18. La tecnica di simulazione più accurata tra i vari approcci di simulazione è la dinamica molecolare, che può essere ascritta al grado di libertà del metodo. L'approccio in MC è stocastico (probabilistico), ma il metodo in MD è deterministico. Il movimento diretto delle molecole e le loro collisioni con le pareti e altre molecole sono presi in considerazione nella MD. In generale, questo approccio si basa sulla seconda legge di Newton e il percorso delle particelle viene calcolato integrando questa equazione. I parametri macroscopici del sistema possono essere ottenuti ottenendo il percorso, il movimento e la velocità della particella e quindi facendo la media dei valori calcolati19. Le simulazioni MD, tra cui MD ab initio (AIMD), MD reattiva (RxMD) e MD classica non reattiva, possono generare una visione a livello elettronico o atomistico delle caratteristiche strutturali e dinamiche per prevedere la diffusività dei gas. Questo metodo è una metodologia stabile e adattabile che consente agli utenti di tracciare l'intero percorso dinamico di un sistema attraverso lo spazio e il tempo20,21. Inoltre, la simulazione gran canonica Monte Carlo (GCMC) può essere utilizzata per determinare la quantità di saturazione in diversi valori di temperatura e pressione. Il calore di adsorbimento può anche essere calcolato semplicemente utilizzando la quantità di adsorbimento. Sono state condotte ricerche per determinare i fattori che influenzano la quantità di assorbimento di CO2 su vari materiali22. Il carbonio microporoso con gruppi funzionali dell'ossigeno è stato prodotto trattando idrotermicamente l'attivazione della biomassa, secondo Xiancheng Ma et al. In questo caso, la simulazione GCMC ha stimato che i gruppi di ossigeno e le strutture dei pori erano rispettivamente responsabili per il 63% e il 37% dell’adsorbimento di CO2. Ha inoltre chiarito che i gruppi funzionali dell'ossigeno trattengono la CO2 mediante interazioni elettrostatiche15. Inoltre, Chen et al. hanno eseguito le simulazioni GCMC e MD per studiare il comportamento di adsorbimento e diffusione del CH4 nei nanopori di scisto con diversi diametri dei pori in un intervallo di pressione fino a 20 MPa e ad una temperatura specifica. Questo modello ha fornito previsioni sulle caratteristiche della distribuzione spaziale come la distribuzione della zona libera e della zona di adsorbimento, la distribuzione del numero di gas, la distribuzione della densità del gas, la proporzione del gas libero e assorbito17. Leebyn Chong et al. hanno utilizzato anche le simulazioni MD e MC per studiare e confrontare l'adsorbimento di CO2 e CH4 nel cherogeno immaturo di tipo II. CH4 e CO2 hanno mostrato un adsorbimento simile nei micropori della matrice a causa della loro simile capacità di rigonfiamento e dell'ambiente di confinamento stretto. Si è scoperto che un maggiore assorbimento di CO2 rispetto al CH4 nel kerogene è dovuto alle porosità di dimensioni meso23. Xinran Yu et al. determinato il volume vuoto della nano-fessura di carbonio utilizzando le simulazioni GCMC e acquisito circostanze sperimentali adeguate per la mitigazione dell'effetto di adsorbimento dell'elio. Inoltre, hanno esaminato la cattura dell’elio e la sua densità locale in un poro24. La Figura 1 mostra una panoramica dei vari gas-liquidi catturati su adsorbenti solidi in studi precedenti25,26,27,28.