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). 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
Prima di passare in rassegna le proprietà dell’ossido di grafene in relazione alla CO2, è opportuno chiarire i concetti di “adsorbimento” e “assorbimento”.
Come verrà spiegato in seguito, l’ossido di grafene può adsorbire e assorbire la CO2 in configurazioni diverse di nanomateriali.
L’adsorbimento è spesso confuso con l'”assorbimento”.
Si tratta della 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 la CO2 sulla superficie dell’ossido di grafene e di mantenerla incollata, aderita o fissata.
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 ridotta.
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, l’ossido di grafene ha la capacità di integrare la CO2, anche se va notato che non raggiunge questo obiettivo 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 lotta contro i cambiamenti climatici.
Lo studio di Rodríguez-García, S.; Santiago, R.; López-Díaz, D.; Merchán, M.D.; Velázquez, M.M.; Fierro, J.L.G.; 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 di ossido di grafene con nanoparticelle 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 per uso agricolo (Zhang, M .; Gao, B .; Chen, J .; Li, Y .; Creamer, AE; Chen, H. 2014) e 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 tramite 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).
In altre parole, si tratta sempre dello stesso composto altamente versatile in tutti i casi e le applicazioni.
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 i 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“.
Questo dettaglio è rilevante, perché 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 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, C. A.; 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 nel problema del 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 si presenta come 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 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 fa supporre che una delle ovvie applicazioni dell’ossido di grafene possa essere nei tubi di scarico dei motori a combustione o in qualsiasi altro processo di combustione industriale.
Infatti gli autori fanno notare che, in uno scenario più realistico corrispondente a 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 con ossido di grafene devono essere migliorati per garantire 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 misura della pressione), il peso atomico per grammo in mmol/g del catalizzatore di ossido di grafene, la temperatura, la concentrazione di CO2 e il tempo di adsorbimento.
I ricercatori concludono che l’ossido di grafene rivestito con il polimero PANI offre migliori risultati in termini di adsorbimento a temperature di esercizio, nonché proprietà di riciclabilità che ne permettono il comportamento modulabile per una maggiore efficienza.
Altri studi si sono concentrati anche sull'”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) e 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 ottiene 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, che ha causato un cambiamento nella forma della membrana, con una maggiore rugosità e superficie di contatto con l’ossido di grafene e, di conseguenza, una maggiore capacità di assorbimento.
È interessante notare che la membrana non ha perso CO2, anche se bagnata, grazie alle caratteristiche idrofobiche del PVDF.
(Irani, V.; Maleki, A.; Tavasoli, A., 2019) hanno anche studiato 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, è stato 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 la CO₂ dall’atmosfera e contribuire alla 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 dalla combustione incompleta degli 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). 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). Porous graphene as an atmospheric nanofilter. Small, 6 (20), pp. 2266-2271. https://doi.org/10.1002/smll.201001126
3.Cabrera-Sanfelix, P. (2009). 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). 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). 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). 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). 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). 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). 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). 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). 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). 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). 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). 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). 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). 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). 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). 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). 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
