Preparazione e caratterizzazione di carboni attivati a basso costo utilizzando H3PO4, ZnCl2 e KOH per applicazioni di adsorbimento di CO2

Trasformare il legno di scarto in alleati per il clima

L’aumento dei livelli di anidride carbonica (CO2) è uno dei motori principali del riscaldamento globale, e gran parte di questo gas proviene da centrali elettriche e impianti industriali che bruciano combustibili fossili. Catturare la CO2 prima che raggiunga l’atmosfera è una strada promettente per rallentare i cambiamenti climatici, ma i metodi attuali spesso utilizzano liquidi costosi o corrosivi. Questo studio esplora un’idea più semplice: trasformare il legno poco pregiato di Parrotia persica, un albero comune nel nord dell’Iran, in materiali altamente porosi simili al carbone che possono trattenere la CO2 in modo efficiente ed economico.

Da sottoprodotto forestale a carbone ingegnerizzato

I ricercatori hanno iniziato con il legno di Parrotia persica, che cresce abbondante nelle foreste Ircane ma ha scarso valore commerciale. Dopo la pulizia e la macinazione del legno, lo hanno riscaldato in assenza di ossigeno per trasformarlo in un solido ricco di carbonio, quindi lo hanno trattato con tre sostanze chimiche diverse: un acido forte (acido fosforico), un sale di zinco (cloruro di zinco) e una base forte (idrossido di potassio). Ciascuna sostanza interagisce in modo diverso con i polimeri naturali del legno durante il riscaldamento, creando una rete di pori microscopici e regolando la superficie disponibile per l’adesione dei gas. Variando la quantità di reagente e la temperatura di trattamento, hanno ottenuto una famiglia di carboni attivati con strutture di porosità distinte.

Progettare cavità minime per la CO2

Perché i pori sono importanti? La cattura dei gas su materiali solidi funziona perché le molecole di gas aderiscono alle superfici tramite forze elettriche deboli. Più area superficiale interna e più cavità di dimensione appropriata ha un materiale, più molecole può trattenere. Il team ha misurato la dimensione dei pori e l’area superficiale usando azoto e microscopia. Il cloruro di zinco ha prodotto l’area superficiale più alta—circa 1.925 metri quadrati per grammo, paragonabile a stendere un campo da tennis su un cubetto di zucchero. L’acido fosforico, invece, ha generato carboni con volumi di poro particolarmente elevati e una combinazione di pori ultrafini e leggermente più grandi, oltre a numerosi gruppi superficiali contenenti ossigeno. Queste caratteristiche chimiche rafforzano le interazioni con la CO2, che è leggermente polarizzata ed è attratta da siti polari o basici sulla superficie del carbonio.

Quanto bene questi sorbenti catturano la CO2?

I ricercatori hanno testato l’assorbimento di CO2 a pressioni fino a 14 bar e a temperature prossime a quella ambiente, condizioni simili a quelle dei gas di scarico industriali. Tutti i campioni hanno mostrato la massima cattura di CO2 a temperature più basse, coerente con un processo fisico di “adesione”: quando le molecole di gas si riscaldano, si muovono più velocemente e tendono meno a rimanere attaccate. Tra i materiali, il carbone attivato con acido fosforico al rapporto di trattamento più elevato (etichettato ACH3) ha raggiunto la migliore capacità di CO2 a 1 bar e 25 °C, superando leggermente il campione trattato con cloruro di zinco nonostante la sua area superficiale lievemente inferiore. Questo vantaggio derivava dal maggiore volume di pori e dalla chimica superficiale più ricca. L’analisi del calore rilasciato durante l’adsorbimento ha confermato che la CO2 è trattenuta principalmente da forze fisiche piuttosto che dalla formazione di nuovi legami chimici, il che è importante perché significa che il materiale può essere rigenerato con un riscaldamento moderato e riutilizzato molte volte.

Separare la CO2 dagli altri componenti dell’aria

Catturare la CO2 dai gas di combustione non dipende solo dalla capacità di stoccaggio, ma anche dalla preferenza del materiale per la CO2 rispetto ad altri gas come l’azoto (N2), che costituisce la maggior parte dell’aria. Combinando le misure del comportamento di ciascun gas sui carboni con una teoria predittiva consolidata, il team ha stimato quanto selettivamente i materiali adsorbano CO2 da una miscela CO2/N2. Sia i carboni trattati con acido fosforico sia quelli con cloruro di zinco hanno mostrato forte selettività, favorendo la CO2 rispetto all’N2 di circa un fattore 20 a pressione atmosferica. Il campione basato su idrossido di potassio è risultato meno selettivo, probabilmente perché la sua rete di pori era più grossolanamente incisa e parzialmente ostruita, offrendo meno siti delle dimensioni ideali per la CO2. È importante che tutti i carboni migliori abbiano mantenuto prestazioni quasi costanti su diversi cicli di adsorbimento–desorbimento, suggerendo che potrebbero sopportare un uso ripetuto in impianti reali.

Cosa significa questo per il futuro della cattura della CO2

Per un lettore non specialista, il messaggio principale è semplice: un sottoprodotto forestale a basso valore può essere trasformato in un carbone a struttura fine, simile a una spugna, che cattura la CO2 in modo efficiente, la preferisce nettamente rispetto all’azoto e può essere riutilizzato più volte. Tra gli approcci testati, i trattamenti con acido fosforico e sale di zinco del legno di Parrotia persica hanno prodotto materiali particolarmente promettenti, bilanciando elevata area superficiale, dimensioni di poro ben corrispondenti e chimica superficiale favorevole. Sebbene le previsioni sulla prestazione con miscele gassose debbano ancora essere verificate in prove a flusso su scala reale, il lavoro dimostra che un “carbone” accuratamente ingegnerizzato a partire da biomassa locale potrebbe diventare uno strumento pratico e a basso costo per ridurre le emissioni industriali di gas serra.

Citazione: Bandani, M., Najafi, M., Khalili, S. et al. Preparation and characterization of low-cost chemically activated carbons using H₃PO₄, ZnCl₂ and KOH for CO₂ adsorption applications. Sci Rep 16, 6288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35319-6

Parole chiave: cattura del carbonio, carbone attivato, biomassa, adsorbimento di CO2, materiali porosi