Miglioramento della capacità di assorbimento di CO2 di ZIF

May 31, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 17584 (2023) Citare questo articolo

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Le strutture metallo-organiche (MOF) e le strutture zeolitiche imidazolate (ZIF) sono materiali porosi promettenti per l'adsorbimento e lo stoccaggio dei gas serra, in particolare della CO2. In questo studio, guidati dal diagramma di fase della CO2, esploriamo il comportamento di adsorbimento della CO2 solida caricata con la struttura ZIF-8 riscaldando il campione ad alte pressioni, con conseguente drastico miglioramento dell'assorbimento di CO2. Il comportamento della CO2 in condizioni simultanee di alta temperatura (T) e pressione (P) è direttamente monitorato mediante spettroscopia FTIR in situ. Il notevole miglioramento osservato nella capacità di adsorbimento della CO2 può essere attribuito all'effetto sinergico di alta T e P: l'alta temperatura migliora notevolmente la proprietà di trasporto della CO2 solida facilitandone la diffusione nell'ambiente; l'alta pressione modifica efficacemente la dimensione e la forma dei pori modificando l'orientamento del linker e creando nuovi siti di adsorbimento all'interno di ZIF-8. Il nostro studio fornisce quindi nuove importanti informazioni sulla sintonizzazione e sul miglioramento della capacità di assorbimento della CO2 nei MOF/ZIF utilizzando pressione e temperatura combinate come approccio sinergico.

Per affrontare le sfide legate al riscaldamento globale, alla cattura e allo stoccaggio dei gas serra e soprattutto dell’anidride carbonica è di fondamentale importanza. Rispetto ai metodi basati sul chemisorbimento a bassa efficienza energetica, i materiali solidi fisioassorbenti come carboni attivi, zeoliti, strutture metallo-organiche (MOF) e strutture zeolitiche imidazolate (ZIF), che hanno capacità termiche inferiori e richiedono una minore energia di rigenerazione, hanno attirato un aumento Attenzione. In particolare, MOF e ZIF come sottoclasse di MOF sono emersi come materiali porosi promettenti per la cattura e lo stoccaggio dei gas serra. Questi materiali hanno proprietà uniche come un'area superficiale molto elevata, porosità ben definita, elevata stabilità chimica e strutturale insieme alla loro modularità e dimensione/funzionalità dei pori regolabile1,2. Tutte queste proprietà presentano un notevole potenziale per ottenere prestazioni ottimali di cattura e stoccaggio della CO2. Nella grande famiglia ZIF, ZIF-8 [Zn(MeIm)2, MeIm = 2-metilimidazolato] è il membro più noto. ZIF-8 è costruito collegando ciascuno ione zinco in modo tetraedrico a quattro singoli ligandi metilimidazolati. Ha una topologia sodalite (SOD) contenente le gabbie con un diametro di 11,6 Å e un'apertura della gabbia di 3,4 Å (Figura complementare S1)3. Questi parametri specifici fanno sì che ZIF-8 mostri un'eccellente capacità di adsorbimento verso piccole molecole di gas con diametri cinetici appropriati4, le cui proprietà strutturali e prestazioni di adsorbimento del gas, inclusa la CO2, sono state ampiamente studiate negli ultimi dieci anni in condizioni ambientali, alte pressioni esterne e a basse temperature mediante metodi sperimentali e computazionali5,6,7,8.

Di particolare interesse sono le recenti indagini sull'effetto della pressione in diverse classi di MOF che hanno rivelato comportamenti strutturali altamente diversificati9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20. Tra questi, gli ZIF e in particolare lo ZIF-8 sotto elevata pressione esterna sono stati ampiamente esaminati21,22,23,24,25,26,27,28. Ancora più significativo, diversi studi hanno dimostrato che l’applicazione di un’elevata pressione esterna può ottimizzare efficacemente la capacità di stoccaggio della CO2 nei MOF/ZIF8,29,30,31,32. Questo perché la pressione esterna può modificare la topologia della struttura MOF/ZIF, alterare la dimensione e la forma dei pori, migliorare le interazioni ospite-ospite tra la struttura e la CO2 adsorbita e persino creare nuovi siti di adsorbimento, portando ad una maggiore capacità di assorbimento della CO2. Tuttavia, a temperatura ambiente, la solidificazione della CO2 avviene ad una pressione superiore a 0,6 GPa33. Questo cambiamento di fase della CO2 limita fortemente l'ulteriore inserimento di CO2 nelle cavità di ZIF-8 a pressioni più elevate poiché la CO2 solida è immobile e non diffusibile. Questo problema può essere risolto se una miscela di CO2 solida e ZIF-8 viene riscaldata ad una temperatura alla quale viene mobilizzata la CO2 solida esistente all'esterno di ZIF-8, in modo che un numero significativamente maggiore di molecole di CO2 possa essere pressato nella struttura degli ZIF pressione. Ancora più importante, le informazioni strutturali dettagliate, la stabilità della pressione e della temperatura, nonché le proprietà di adsorbimento di CO2 in ZIF-8 stabilite in studi precedenti consentono di comprendere il possibile effetto sinergico di alta P e alta T sull'adsorbimento di CO2 in ZIF-8 .In questo lavoro, utilizzando il diagramma di fase della CO233 come guida e la spettroscopia IR in situ come strumento, abbiamo esaminato il comportamento di adsorbimento di CO2 di ZIF-8 in una cella a incudine di diamante (DAC) applicando contemporaneamente alta temperatura e pressione. Per quanto ne sappiamo, questo è il primo rapporto che indaga il comportamento di assunzione di CO2 in condizioni simultanee di alta P e alta T per MOF e in particolare per ZIF-8. I nostri risultati mostrano chiaramente che in condizioni P-T elevate attentamente controllate, l’assorbimento di CO2 di ZIF-8 viene migliorato drasticamente, rendendolo un materiale promettente per lo stoccaggio di CO2.