L’ossido di grafene può sia adsorbire che assorbire CO2

Pubblicato il 22 Agosto 2021 da Veronica Baker

Temo che la scienza sarà utilizzata per promuovere il potere dei gruppi dominanti piuttosto che per rendere gli uomini felici.

Bertrand Russell


L’ossido di grafene può sia adsorbire che assorbire CO2

Studio di riferimento

Rodríguez-Garcia, S.; Santiago, R.; López-Díaz, D.; Merchan, MD; Velázquez, MM; Fierro, JLG; Palomar, J. (2019). Ruolo della struttura dei fogli di ossido di grafene sulle proprietà di adsorbimento di CO2 di nanocompositi a base di ossido di grafene e nanoparticelle di polianilina o Fe3O4 = Role of the Structure of Graphene Oxide Sheets on the CO2 Adsorption Properties of Nanocomposites Based on Graphene Oxide and Polyaniline or Fe3O4 – Nanoparticles, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 7 (14), pp. 12464-12473. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b02035

Introduzione

Prima di iniziare a discutere le proprietà dell’ossido di grafene rispetto alla CO2, è opportuno differenziare e definire i concetti di “adsorbimento” e “assorbimento”.
Come verrà spiegato in seguito, l’ossido di grafene può adsorbire e assorbire CO2 in diverse configurazioni di nanomateriali.

L’adsorbimento è spesso confuso con “assorbimento”.

È la proprietà per cui un materiale è in grado di legare atomi, ioni o molecole di un gas, liquido o solido.
In questo caso la capacità di attirare CO2 sulla superficie dell’ossido di grafene e mantenerlo incollato, aderito o fissato.

 Questo effetto di attrazione è simile alla “tensione superficiale” per cui le gocce d’acqua si fondono in gocce più grandi quando la loro distanza è sufficientemente vicina.

L’assorbimento è la proprietà di un materiale di assimilare, integrare o combinare con atomi, ioni o molecole di un gas, liquido o solido.

In questo caso, è la capacità dell’ossido di grafene di integrare CO2, anche se va notato che non raggiunge questo obiettivo da solo, anche se va notato che non raggiunge questo da solo, in quanto richiede nanocompositi e polimeri provenienti da terze parti.

Fatti analizzati

L’articolo analizzato in questa occasione presenta informazioni rilevanti che spiegherebbero il ruolo dell’ossido di grafene nella cosiddetta lotta ai cambiamenti climatici.

Lo studio di (Rodríguez-García, S .; Santiago, R .; López-Díaz, D .; Merchán, MD; Velázquez, MM; Fierro, JLG; Palomar, J. 2019) dimostra le proprietà “adsorbenti” dell’ossido di grafene in combinazione con nanoparticelle Fe3O4 per ridurre le emissioni di CO2 nell’atmosfera.

Il composto dell’ossido di grafene con Fe3O4 è direttamente legato allo sviluppo di farmaci antitumorali e vaccini a DNA (Shah, MAA; He, N.; Li, Z.; Ali, Z.; Zhang, L. 2014), biocidi-fertilizzanti di uso agricolo (Zhang, M .; Gao, B .; Chen, J .; Li, Y .; Creamer, AE; Chen, H. 2014), test di assorbimento delle onde elettromagnetiche 5G (Ma, E .; Li , J . ; Zhao, N.; Liu, E.; He, C.; Shi, C. 2013), somministrazione di vaccini con riformulazioni genetiche utilizzando la tecnica CRISPR (Abbott, TR; Dhamdhere, G.; Liu, Y.; Lin, X.; Goudy, L.; Zeng, L.; Qi, LS 2020 | Ding, R.; Long, J.; Yuan, M.; Jin, Y.; Yang, H.; Chen, M.; Duan, G. 2021 | Teng, M.; Yao, Y.; Nair, V . ; Luo, J. 2021), fra le tante applicazioni.

In altre parole, è sempre lo stesso composto, altamente versatile in tutti i casi e applicazioni.


L'ossido di grafene può sia adsorbire che assorbire CO2
Fig. 1. Schema della reazione di assorbimento della CO2 tramite ossido di grafene

Sebbene l’ossido di grafene possieda proprietà speciali che lo rendono un materiale ideale per il filtraggio atmosferico e la decontaminazione dell’aria, allo stesso tempo questo è paradossale e contraddittorio.

Non va dimenticato che l’ossido di grafene inalato (nelle particelle sospese) è dannoso per la salute (Ou, L.; Song, B.; Liang, H.; Liu, J.; Feng, X.; Deng, B.; Shao, L. 2016) e può provocare danni rilevanti , già descritti in post precedenti, vedi ossido di grafene nel sangue (Palmieri, V.; Perini, G.; De Spirito, M.; Papi, M. 2019), interazione dell’ossido di grafene con le cellule cerebrali (Rauti, R .; Lozano, N .; León, V .; Scaini, D .; Musto, M .; Rago, I .; Ballerini, L. 2016), l’ossido di grafene interrompe l’omeostasi mitocondriale (Xiaoli, F .; Yaqing, Z .; Ruhui, L .; Xuan, L .; Aijie, C .; Yanli, Z .; Longquan, S. 2021), tra gli altri articoli che possono essere recuperati tramite la query  “tossicità del grafene” .

Tornando all’analisi dell’articolo, si afferma che “nanocompositi a base di ossido di grafene con polianilina (PANI) o nanoparticelle di Fe3O4” sono in grado di adsorbire e trattenere CO2.

Questa capacità speciale “aumenta linearmente con il volume dei micropori “.
Un dettaglio rilevante, perchè concorda con il tipo di materiale utilizzato nella nucleazione del ghiaccio, che allo stesso modo doveva essere poroso per ottenere una migliore prestazione nella formazione dei nanocristalli (Liang, H.; Möhler, O.; Griffiths, S.; Zou, L. 2019).

La proprietà porosa è apprezzata anche nei fertilizzanti chimici (CN107585764A. 刘亚男; 何东宁; 石伟琦; 王 琚 钢; 马 海洋; 李普旺; 冼 皑 敏. 2020) e curiosamente nelle nanoparticelle orientate alle terapie di interferenza dell’RNA nel cervello (Joo, J.; Kwon, EJ; Kang, J.; Skalak, M.; Anglin, EJ; Mann, AP; Sailor, MJ 2016).

Infatti, il grafene poroso viene utilizzato come nanofiltro atmosferico, come riportato anche da altri autori (Blankenburg, S.; Bieri, M.; Fasel, R.; Müllen, K.; Pignedoli, CA; Passerone, D. 2010), sotto forma di membrane in ossido di grafene 2D, che adsorbono ammoniaca, CO2 e argon. 

Rivedendo l’introduzione dell’articolo si possono osservare altre affermazioni interessanti.

Nello specifico, la giustificazione della ricerca si riassume in modo particolare nel problema del cosiddetto riscaldamento globale, che “costituisce un grave problema per il pianeta.
L’aumento della concentrazione dei gas serra, soprattutto CO2, rende necessario sviluppare processi per la loro eliminazione
“.

In questo senso, l’ossido di grafene diventa una “soluzione efficiente ed economica” per mitigare gli effetti che questo “agente inquinante” può provocare.

Tra le diverse opzioni studiate nella letteratura scientifica (adsorbimento e assorbimento con membrane o assorbimento chimico in ammine liquide), nessuna si distingue per avere un buon equilibrio tra prestazioni, efficienza energetica ed effetti.
Tuttavia, l’ossido di grafene sotto forma di idrogel, aerogel, nanosfere e nanotubi, sembra triplicare la capacità di cattura della Co2 quando funzionalizzato con Fe3O4.

L’esperimento realizzato mira a simulare uno scenario realistico di adsorbimento di CO2, nello specifico quello prodotto da un gas di combustione.

Ciò che porta a pensare che una delle ovvie applicazioni dell’ossido di grafene possa trovarsi nei tubi di scarico dei motori a combustione o in qualsiasi altro processo di combustione industriale.
Infatti gli autori fanno notare : “c
onsiderando uno scenario più realistico corrispondente ad un gas dopo la combustione (pCO2 = 0,15 bar e pN2 = 0,85 bar), i valori di selettività IAST CO2/N2 ottenuti dai nanocompositi preparati (ossido di grafene) devono essere migliorati per un’efficace ritenzione”.

La IAST (teoria della soluzione adsorbita ideale) è determinata da diversi fattori, primo fra tutti la pressione atmosferica espressa in “bar” (unità di bar di pressione), peso atomico per grammo mmol/g del catalizzatore di ossido di grafene, temperatura, CO2 e tempo di adsorbimento.

I ricercatori concludono che l’ossido di grafene rivestito con polimero PANI offre migliori risultati di adsorbimento a temperature di esercizio, nonché riciclabilità proprietà, potendo modulare il suo comportamento per una maggiore efficienza. 

Altri studi affrontano anche l'”adsorbimento” della CO2 con l’ossido di grafene.
Ad esempio, lo studio di (Wu, X.; Zhao, B.; Wang, L.; Zhang, Z.; Zhang, H.; Zhao, X.; Guo, X. 2016) ha verificato il comportamento di PVDF (fluoruro di polivinilidene) ed ossido di grafene a diverse concentrazioni per creare membrane, osservando l’assorbimento di CO2 in condizioni di temperatura ambiente.

Si è concluso che aumentando la percentuale di grafene si è ottenuto un aumento della capacità di assorbimento della membrana.
Questo risultato è stato influenzato dal fattore di porosità (82% nell’esperimento), responsabile anche della cristallizzazione o nucleazione del PVDF, causando un cambiamento nella forma della membrana, alla fine con una maggiore rugosità e superficie di contatto con l’ossido di grafene e quindi una maggiore capacità di assorbimento.

È interessante notare che la membrana non ha perso CO2, anche se bagnata, date le caratteristiche idrofobiche del PVDF.

Lo studio di (Irani, V.; Maleki, A.; Tavasoli, A. 2019) affronta anche l’adsorbimento di CO2 con l’ossido di grafene nanofluidificato combinato con MDEA, noto anche come “mehyldiethanolamine amine”, confermando le capacità del materiale.

Per esempio, si è dimostrato che l’aggiunta dello 0,2% di ossido di grafene al MDEA aumenta la sua capacità di assorbimento di CO2 di oltre il 10% a diverse temperature, il che aumenta appena il peso della miscela.

Riflessioni finali

L’ossido di grafene può essere utilizzato per adsorbire CO2 dall’atmosfera per ottenere una riduzione dei gas serra.

In questo senso, non sarebbe sorprendente se fosse già attualmente utilizzato in questo modo per questo scopo, poiché secondo (Pöschl, U. 2005) l’ossido di grafene si trova nell’analisi degli aerosol nell’atmosfera insieme alla fuliggine risultante dalla pirolisi e combustione incompleta di aerei a reazione , in una piccola quantità, che però non è stata quantificata.

Bibliografia

1.Abbott, TR; Dhamdhere, G.; Liu, Y.; Lin, X.; Goudy, L.; Zeng, L.; Qi, LS (2020). Sviluppo di CRISPR come strategia profilattica per combattere il nuovo coronavirus e l’influenza. = Development of CRISPR as a prophylactic strategy to combat novel coronavirus and influenza. BioRxiv. https://doi.org/10.1101/2020.03.13.991307

2.Blankenburg, S.; Bieri, M.; Fasel, R.; Mullen, K.; Pignedoli, C.A.; Passerone, D. (2010). Grafene poroso come nanofiltro atmosferico = Porous graphene as an atmospheric nanofilter. Small, 6 (20), pp. 2266-2271.  https://doi.org/10.1002/smll.201001126

3.Cabrera-Sanfelix, P. (2009). Adsorbimento e reattività di CO2 su fogli di grafene difettosi = Adsorption and reactivity of CO2 on defective graphene sheets. The Journal of Physical Chemistry A, 113 (2), pp. 493-498. https://doi.org/10.1021/jp807087y

4.CN107585764A. ; ; ; 琚 钢; 海洋; ; 冼 皑 敏. (2020). Grafene ad ossidazione porosa e suo metodo di preparazione e fertilizzante chimico a lenta cessione rivestito di grafene ad ossidazione porosa e suo metodo di preparazione = Porous oxidation graphene and preparation method thereof and porous oxidation graphene coated slow-release chemical fertilizer and preparation method thereof.  https://patents.google.com/patent/CN107585764A/en

5.Ding, R.; Long  J.; Yuan, M.; Jin, Y.; Yang, H.; Chen, M.; Duan, G. (2021). Sistema CRISPR/Cas: una potenziale tecnologia per la prevenzione e il controllo del COVID-19 e delle malattie infettive emergenti. = CRISPR/Cas System: A Potential Technology for the Prevention and Control of COVID-19 and Emerging Infectious Diseases. Frontiers in cellular and infection microbiology, 11. https://dx.doi.org/10.3389%2Ffcimb.2021.639108

6.Irani, V.; Maleki, A.; Tavasoli, A. (2019). Miglioramento dell’assorbimento di CO2 in ossido di grafene / nanofluido MDEA = CO2 absorption enhancement in graphene-oxide/MDEA nanofluid. Journal of environmental chemical engineering, 7 (1), 102782.

7.Joo, J.; Kwon, EJ; Kang, J.; Skalak, M.; Anglin, EJ; Mann, AP;  Sailor, MJ (2016). Silicio poroso – nucleo di ossido di grafene – nanoparticelle di guscio per la consegna mirata di siRNA al cervello ferito. = Porous silicon–graphene oxide core–shell nanoparticles for targeted delivery of siRNA to the injured brain. Nanoscale Horizons, 1 (5), pp. 407-414. https://doi.org/10.1039/C6NH00082G

8.Liang, H.; Möhler, O.; Griffiths, S.; Zou, L. (2019). Aumento della nucleazione e crescita del ghiaccio da parte di un composto poroso di nanoparticelle di silice idrofila e RGO = Enhanced Ice Nucleation and Growth by Porous Composite of RGO and Hydrophilic Silica Nanoparticles. The Journal of Physical Chemistry C, 124 (1), pp. 677-685.   https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b09749

9.Ma, E.; Li, J.; Zhao, N.; Liu, E.; Lui, C.; Shi, C. (2013). Preparazione del nanocomposito ridotto di ossido di grafene / Fe3O4 e sue proprietà elettromagnetiche a microonde. = Preparation of reduced graphene oxide/Fe3O4 nanocomposite and its microwave electromagnetic properties. Materials Letters, 91, pp. 209-212. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2012.09.097

10.Meconi, GM; Tomovska, R.; Zangi, R. (2019). Adsorbimento di gas CO2 su compositi grafene-polimero = Adsorption of CO2 gas on graphene–polymer composites. Journal of CO2 Utilization, 32, pp. 92-105. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2019.03.005

11.Ou, L.; Song, B.; Liang, H.; Liu, J.; Feng, X.; Deng, B.; Shao, L. (2016). Tossicità delle nanoparticelle della famiglia del grafene: una rassegna generale delle origini e dei meccanismi. = Toxicity of graphene-family nanoparticles: a general review of the origins and mechanisms. Particle and Fibre Toxicology, 13 (1), pp. 1-24. https://doi.org/10.1186/s12989-016-0168-y

12.Palmieri, V.; Perini, G.; De Spirito, M.; Papi, M. (2019). L’ossido di grafene tocca il sangue: interazioni in vivo di materiali 2D bio-coronati. = Graphene oxide touches blood: in vivo interactions of bio-coronated 2D materials. Nanoscale Horizons, 4 (2), pp. 273-290.  https://doi.org/10.1039/C8NH00318A

13.Poschl, U. (2005). Aerosol atmosferici : composizione, trasformazione, effetti sul clima e sulla salute = Atmospheric aerosols: composition, transformation, climate and health effects. Angewandte Chemie International Edition, 44 (46), pp. 7520-7540.  https://doi.org/10.1002/anie.200501122

14.Rauti, R.; Lozano, N.; Leon, V.; Scaini, D.; Musto, M.; Rago, I..; Ballerini, L. (2016). Nanosheets di ossido di grafene rimodellano la funzione sinaptica nelle reti cerebrali coltivate = Graphene Oxide Nanosheets Reshape Synaptic Function in Cultured Brain Networks. ACS Nano, 10 (4), pp. 4459-4471. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b00130

15.Shah, M.A.A.; He, N .; Li, Z.; Ali, Z.; Zhang, L. (2014). Nanoparticelle per la somministrazione di vaccini a DNA = Nanoparticles for DNA Vaccine Delivery. Journal of Biomedical Nanotechnology, 10 (9), pp. 2332-2349. https://doi.org/10.1166/jbn.2014.1981

16.Teng, M.; Yao, Y.; Nair, V.; Luo, J. (2021). Ultimi progressi della ricerca virologica utilizzando la tecnologia di modifica genetica basata su CRISPR / Cas9 e la sua applicazione allo sviluppo di vaccini = Latest Advances of Virology Research Using CRISPR/Cas9-Based Gene-Editing Technology and Its Application to Vaccine Development. Viruses, 13 (5), 779.    https://doi.org/10.3390/v13050779

17.Wu, X.; Zhao, B.; Wang, L.; Zhang, Z.; Zhang, H.; Zhao, X.; Guo, X. (2016). Membrana ibrida PVDF / grafene per l’assorbimento di CO 2 nel contattore a membrana = Hydrophobic PVDF/graphene hybrid membrane for CO2 absorption in membrane contactor. Journal of Membrane Science, 520, pp. 120-129. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2016.07.025

18.Xiaoli, F.; Yaqing, Z.; Ruhui, L.; Xuan, L.; Aijie, C.; Yanli, Z.; Longquan, S. (2021). L’ossido di grafene ha interrotto l’omeostasi mitocondriale inducendo la deviazione redox intracellulare e la disfunzione della rete autofagia-lisosomiale nelle cellule SH-SY5Y = Graphene oxide disrupted mitochondrial homeostasis through inducing intracellular redox deviation and autophagy-lysosomal network dysfunction in SH-SY5Y cells. Journal of Hazardous Materials,, 416, 126158.  https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126158

19.Zhang, M.; Gao, B.; Chen, J.; Li, Y.; Creamer, AE; Chen, H. (2014). Concime a lenta cessione incapsulato da film di ossido di grafene. = Slow-release fertilizer encapsulated by graphene oxide films. Chemical Engineering Journal, 255, pp. 107-113. https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.06.023

Studio originale in lingua spagnola : El óxido de grafeno puede adsorber y absorber CO2

Traduzione in italiano a cura di Veronica Baker


44


You cannot copy content of this page