Una soluzione scalabile per la cattura e lo stoccaggio della CO₂: film di MOF reattivi alla luce

Lo studio, condotto da un team interdisciplinare che ha riunito scienziati del consorzio di infrastrutture di ricerca CERIC-ERIC, di Elettra Sincrotrone Trieste, dell’Università Tecnica di Graz (TU Graz) e dell’Istituto Officina dei Materiali (IOM) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (IOM-CNR), è stato recentemente pubblicato su Nature Communications. Nella ricerca, supportata da CERIC-ERIC, i ricercatori  affrontato una sfida critica nel settore: adattare materiali MOF altamente porosi in assemblaggi pratici, durevoli e reattivi, da integrare in tecnologie di cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica, mantenendo al contempo la loro integrità strutturale e capacità di assorbimento.

Gli obiettivi di neutralità climatica (o carbonica) mirano a mitigare l’impatto umano sul cambiamento climatico raggiungendo un equilibrio tra le emissioni di anidride carbonica (CO₂) e il suo assorbimento o sequestro dall’atmosfera. In questo contesto, i MOF, noti per la loro eccezionale porosità e la chimica altamente regolabile, sono tra i candidati più promettenti per le future strategie di mitigazione delle emissioni di CO₂. Tuttavia, la loro integrazione e il loro utilizzo sono stati rallentati dalla difficoltà di fabbricare forme funzionali e stabili – soprattutto film o membrane – compatibili con gli attuali sistemi industriali. In questo nuovo studio, i ricercatori hanno ingegnerizzato film MOF flessibili a base di zinco (Zn), cresciuti come strutture stratificate eteroepitassiali su alcuni substrati. Questi film incorporano leganti organici funzionalizzati, tra cui molecole fotocommutabili come l’azobenzene, che consentono la cattura reversibile di CO₂ innescata dalla luce (sia ultravioletta sia visibile).

“Questi risultati dimostrano che è possibile progettare film MOF che non solo funzionano a condizioni prossime a quelle ambientali, ma che possono essere controllati a distanza utilizzando la luce – una strategia intelligente per la cattura dell’anidride carbonica, efficiente dal punto di vista energetico, che consente allo stesso tempo un controllo non invasivo del sistema”, afferma l’autrice principale della ricerca, la Dr.ssa Sumea Klokic, che ha progettato l’esperimento ed eseguito le relative misurazioni nell’ambito della ricerca supportata da CERIC-ERIC e ora è ricercatrice presso la TU Graz. Adattando la chimica dei leganti, il team ha ottenuto una maggiore flessibilità e reattività nei film Zn-MOF, consentendo l’assorbimento reversibile di CO₂ e l’adattamento strutturale dinamico a condizioni quasi-ambientali. “Utilizzando una combinazione di tecniche analitiche all’avanguardia disponibili presso le infrastrutture partner di CERIC-ERIC – tra cui la diffusione di raggi X ad ampio angolo a incidenza radente (GIWAXS) e la spettromicroscopia a infrarossi – siamo stati in grado di caratterizzare a fondo il sistema reversibile a bassa energia che abbiamo sviluppato, osservando le interazioni su scala molecolare e quantificando l’assorbimento di CO₂ in tempo reale, soprattutto in presenza di stimoli esterni come luce e temperatura” aggiunge il Dr Giovanni Birarda, ricercatore presso la linea di luce SISSI-Bio di Elettra Sincrotrone Trieste. Presso la beamline SISSI, la spettromicroscopia a infrarossi ha infatti consentito di studiare la distribuzione spaziale e la dinamica molecolare di CO₂ all’interno dei film MOF con elevata specificità chimica e risoluzione micrometrica.

Guardando al futuro, i ricercatori sottolineano la necessità di migliorare le tecniche di imaging su scala nanometrica – come quelle che saranno sviluppate e implementate con l’aggiornamento di Elettra Sincrotrone Trieste (Elettra 2.0), che garantirà l’accesso a metodologie di analisi complementari per sondare processi dinamici su scale di lunghezza ancora più piccole – per mappare la distribuzione di CO₂ all’interno dei film MOF. Tali approcci potrebbero sbloccare ulteriori applicazioni dei MOF oltre allo stoccaggio dell’anidride carbonica, tra cui dispositivi di separazione dei gas, membrane a matrice mista e sensori ambientali.