Carbonio nanoporoso, un nuovo traguardo
Un cucchiaino del nuovo materiale in carbonioso progettato dalla Cornell University può contenere dentro di sé un mondo. Se non proprio un mondo, di certo una superficie grande come un campo da calcio. È un vero record mondiale quello segnato da un gruppo di ingegneri dell’ateneo statunitense creatori di un carbonio nanoporoso da Guinness dei primati.
Grazie ad un approccio innovativo ispirato all’accensione del carburante per razzi, il team è riuscito ad ampliare al massimo la superficie dei pori. Al punto che un grammo del nuovo carbonio possiede un’area superficiale specifica di ben 4.800 metri quadrati.
Una qualità che lo rende estremamente interessante per diverse tecnologie. A cominciare da quelle per la cattura dell’anidride carbonica (CO2) e quelle di accumulo.
La nuova frontiera del carbonio attivo
Negli ultimi anni sono stati compiuti diversi passi avanti verso la sintesi di carbonio poroso con elevata area superficiale specifica (SAA) ai fini energetici. Questi materiali sono usati per la realizzazione di elettrodi e gli studi di settore hanno mostrato che maggiore è l’SAA del materiale, più alta sarà la capacità specifica dell’elettrodo.
Un impatto sulle prestazioni lo hanno anche la distribuzione e la dimensione media dei pori, soprattutto se sintonizzata nell’intervallo sub-nanometrico. È stato infatti evidenziato un drastico aumento della capacità quando gli ioni vengono confinati in sub-nanopori (<1 nm) che ha portato a un aumento di due volte della densità energetica dei dispositivi commerciali.
Ma incrementare la porosità del materiale costituisce una sfida non da poco sul lato pratico. “Avere più superficie per massa è molto importante, ma si può arrivare a un punto in cui non rimane più materiale. È solo aria”, ha affermato lo scienziato Emmanuel Giannelis , professore presso il Dipartimento di Scienze dei Materiali e Ingegneria, presso la Cornell Engineering. “Quindi la sfida è quanta di quella porosità si può introdurre lasciando ancora una struttura, e ottenere nel contempo una resa sufficiente per farne qualcosa di pratico”.
Reazioni ipergoliche per un carbonio nanoporoso da record
Per affrontare questa sfida, Giannelis ha coinvolto il ricercatore Nikolaos Chalmpes che in passato aveva già progettato materiali utilizzando reazioni ipergoliche, ossia reazioni chimiche che avvengono spontaneamente quando alcune sostanze vengono in contatto. Queste reazioni rilasciano una rapida e intensa scarica di energia e sono alla base di molti propellenti usati in ambito spaziale.
“Stavo cercando di capire come sfruttare e controllare queste reazioni inesplorate per sintetizzare varie nanostrutture di carbonio e, dopo aver regolato una serie di parametri, ho scoperto che potevamo ottenere un’altissima porosità”, ha affermato Chalmpes, autore principale dello studio. “Fino ad allora, queste reazioni erano state utilizzate solo nei razzi, negli aerei e nelle sonde spaziali profonde per la propulsione e l’energia idraulica”.
Per realizzare il nuovo carbonio nanoporoso da record, gli scienziati hanno impiegato saccarosio e un materiale modello da usare come una sorta di impalcatura. Mescolati con sostanze specifiche, i componenti danno vita ad una reazione ipergolica. Si formano così nanotubi di carbonio con un’alta concentrazione di anelli molecolari reattivi composti da 5 atomi di carbonio, invece dei tipici anelli a 6 elementi presenti nella maggior parte delle strutture di carbonio.
Il passaggio finale prevede il trattamento del materiale con idrossido di potassio, che rimuove le strutture meno stabili, creando una rete intricata di pori microscopici. Con un’area di 4800 m2/g e un impressionante volume totale dei buchi di 2,7 cm3/g.
Dopo aver creato il carbonio nanoporoso, i ricercatori lo hanno testato per vedere quanta anidride carbonica poteva essere sequestrata dall’atmosfera. Il risultato è stato che in soli due minuti è stato in grado di saturare il 99% della sua capacità totale, che è quasi doppia a quella dei tradizionali carboni attivi. È stata anche dimostrata una capacità di accumulo energetico quattro volte superiore rispetto ai carboni attivi disponibili in commercio, con una densità di energia volumetrica di 60 Wh per litro.
La nuova tecnica di sintesi è stata descritta sulla rivista ACS Nano.
FAQ
I ricercatori hanno sviluppato un carbonio nanoporoso con una superficie senza precedenti di 4.800 metri quadrati per grammo, utilizzando una reazione chimica ispirata al carburante per razzi.
La tecnica utilizza reazioni ipergoliche per creare strutture nanoporose, partendo da saccarosio e sostanze chimiche specifiche. Il processo include un trattamento con idrossido di potassio per formare una rete intricata di pori microscopici.
Il materiale è utile per la cattura dell’anidride carbonica, l’immagazzinamento dell’energia, la progettazione di elettrocatalizzatori, e come supporto per catalizzatori o materiale attivo per supercondensatori.
Il carbonio nanoporoso può assorbire quasi il doppio della CO2 rispetto ai carboni attivi tradizionali. Inoltre, offre una densità energetica volumetrica quattro volte superiore.