Ecco il carbonio modellabile, un capolavoro della nanotecnologia

Ecco il carbonio modellabile, un capolavoro della nanotecnologia

Una nuova forma di carbonio potrebbe giocare un importante ruolo nella riduzione delle emissioni di anidride carbonica da parte degli esseri umani.

Un gruppo di ricercatori di Stanford ha sviluppato un materiale a base di “carbonio modellabile” in nanoscala che può essere regolato per produrre dispositivi di accumulo energetico, pannelli solari e persino sistemi per la cattura di anidride carbonica più potenti ed efficienti.

Il carbonio modellabile che è entrato in commercio negli ultimi anni condivide la stessa struttura a groviera del carbone attivo. Questa particolare struttura migliora le sue capacità di catalizzare determinate reazioni chimiche ed accumulare cariche elettriche: è però “modellato”, nel senso che la sua composizione, e le dimensioni dei suoi pori, possono essere manipolate per rispondere a determinate necessità.

Stando a Zhenan Bao, una professoressa di ingegneria chimica e autrice senior dello studio comparso nell’ultimo numero del giornale ACS Central Science, il carbonio modellabile testato dai ricercatori di Stanford è «sia versatile che controllabile».

«La creazione di carboni con una elevata area superficiale ed una composizione chimica e morfologica controllate è davvero ardua», spiega Bao. Altri metodi attualmente disponibili, dice, «sono troppo costosi o non offrono il giusto controllo sulla struttura chimica e la morfologia del materiale».

Il lavoro di Bao e del suo team rappresenta l’ultimissimo passo avanti in un campo in rapido sviluppo e con grandi potenzialità per una varietà di applicazioni clean-tech.

La EnerG2 di Seattle, ad esempio, ha sviluppato un carbonio modellabile per diverse applicazioni, in particolare per le batterie agli ioni di litio. La sostituzione della grafite negli anodi delle batterie con un carbonio del genere ha portato a un impressionante incremento nelle prestazioni – fino al 30 per cento in più nella capacità di accumulo delle batterie, stando al fondatore e CTO della società, Aaron Feaver.

In sostanza, il materiale viene creato cuocendo un materiale precursore a temperature molto elevate per poi trattarlo chimicamente al fine di produrre una struttura porosa tridimensionale con una enorme area superficiale. Il team di Stanford è partito da un polimero complesso che forma una maglia interconnessa. La temperatura di lavorazione può essere regolata fra i 300 °C e i 900 °C per permettere di affinare le proprietà del materiale. Il risultato di questa lavorazione è una pellicola di carbonio che può arrivare fino a un nanometro di spessore, con oltre 4000 metri quadri di area superficiale per grammo.

Il carbonio modellabile costa solitamente più degli altri materiali che vengono adoperati come anodo, in particolare la grafite, ma Bao sostiene che i materiali grezzi utilizzati negli esperimenti a Stanford costino meno di 10 dollari per ciascun chilogrammo di carbonio prodotto.

Due delle applicazioni più promettenti testate a Stanford sono le batterie al litio-zolfo e i supercondensatori. Le batterie in litio-zolfo presentano diversi vantaggi rispetto ai convenzionali sistemi a ioni di litio, ma anche un grave difetto: tendono a perdere polisolfuro di litio, provocando così l’avaria della batteria. I pori in nanoscala del carbonio modellato impediscono che ciò avvenga.

I supercondensatori sono dispositivi per l’accumulo di energia che accumulano e rilasciano la propria carica a un ritmo elevato. Il team della professoressa Bao ha scoperto che, grazie al nuovo carbonio, la conduttività degli elettrodi nei supercondensatori era tre volte superiore rispetto a quella del normale carbone attivo.

Una applicazione per questo materiale potrebbe trovarsi nella cattura dell’anidride carbonica, finora non economicamente possibile

I nanotubi in carbonio sono un’altra forma di carbonio modellabile che potrebbe essere utile in un particolare numero di applicazioni fra cui lo stoccaggio di energia. Nel 2012, lo scienziato del MIT Joel Schindall ha presentato un metodo per crescere “foreste” di nanotubi in carbonio da impiegare nella costruzione di supercondensatori la cui capacità di trattenere energia poteva rivaleggiare quella delle batterie.

L’applicazione più distante per questo materiale, però, potrebbe trovarsi nella cattura dell’anidride carbonica – una tecnologia di cui si è parlato per molti anni ma che finora non è mai stata economicamente possibile. I materiali con pori di una certa dimensione sono particolarmente promettenti nella selezione dell’anidride carbonica, che si condenserebbe sulla superficie del carbonio sintetico all’interno di una struttura di sequestro.

«Il nostro approccio sintetico ci offre un materiale molto versatile e personalizzabile, e stiamo sviluppando una versione differente che è particolarmente idonea per la cattura dell’anidride carbonica», dice Bao. Questo lavoro è appena stato presentato per essere pubblicato, aggiunge.

(Traduzione di Matteo Ovi)

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