Si stanno sviluppando nuovi materiali a base di grafene a partire dalle biomasse.
I nanomateriali a base di carbonio hanno proprietà fisico-chimiche eccezionali come un'area superficiale elevata e siti attivi, adatti all'adsorbimento di composti inorganici e organici. Attualmente, questi materiali vengono testati per applicazioni ambientali. Si stanno sviluppando nuovi materiali a base di grafene a partire dalle biomasse.
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Argomenti trattati Materiali a base di grafene per valorizzare le biomasse I componenti della biomassa lignocellulosica Adsorbimento dell'erbicida glifosato utilizzando nanocompositi a base grafene |
Introduzione
I nanomateriali a base di carbonio hanno proprietà fisico-chimiche eccezionali come un'area superficiale elevata e siti attivi, adatti all'adsorbimento di composti inorganici e organici. Attualmente, questi materiali vengono testati per applicazioni ambientali, ad esempio, per rilevare inquinanti emergenti nelle acque potabili e di superficie. I ricercatori stanno attualmente esaminando diversi metodi per preparare grafene (G) o materiali a base di grafene (GBM) utilizzando la biomassa.
Il grafene e i materiali a base di grafene sono considerati dei composti eccezionali grazie alle loro proprietà meccaniche, elettroniche, termiche e ottiche superiori. Queste caratteristiche li rendono materiali adatti per adsorbimento, fotocatalisi, accumulo di energia, rilevamento di gas e applicazioni mediche.
Tuttavia, gli svantaggi di questi materiali sono gli alti costi per scalare i processi di preparazione e l'impatto ambientale di alcuni dei metodi di produzione.
I metodi di preparazione più comuni sono l'esfoliazione con ossidazione della grafite e la deposizione chimica da fase vapore (CVD). Entrambi i metodi hanno il vantaggio di ottenere materiali di elevata qualità ma lo svantaggio di difficile scalabilità ed elevato impatto ambientale.
Per migliorare la resa, i costi e l’impatto ambientali si stanno studiando nuovi metodi che utilizzano i rifiuti di biomassa utilizzando trattamenti termochimici come la pirolisi.
La struttura del grafene
La grafite è nota e utilizzata dall'uomo fin dai tempi antichi. È composto da strati di carbonio detti grafene, bidimensionali, atomicamente piatti, con legame sp2, debolmente uniti tra loro dalle forze di van der Waals.
Struttura della grafite
Nel corso dei secoli, la grafite ha trovato molte applicazioni, da materiale refrattario a elettrodo per batterie, da matite a lubrificanti, tra gli altri.
La svolta si è osservata quando dei ricercatori hanno isolato il grafene per la prima volta usando il metodo dell'esfoliazione meccanica ("nastro adesivo")
(A) Grafene, (B) grafene con difetti intrinseci e (C) grafene con difetti estrinseci. (Credit: Frontiers)
Il grafene è un monostrato esagonale formato da atomi di carbonio ibridati sp2 (A), ma durante la sintesi possono comparire alcuni difetti. Sono classificati come intrinseci quando l'ordine cristallino è modificato senza la presenza di atomi estranei (vacanze, 5 o 7 anelli di carbonio) (B) o estrinseci se il grafene ha impurità nel reticolo (N, O e Si) (C).
I componenti della biomassa lignocellulosica.
Col termine di lignocellulosa ci riferiamo agli scarti secchi derivanti da vegetali (biomassa).
La biomassa lignocellulosica comprende cinque componenti primari: cellulosa, emicellulosa, lignina (tra i tre costituiscono l'85-90%), sostanze volatili e cenere. La cellulosa è il biopolimero più abbondante sulla terra ed è formata dal glucosio. L'emicellulosa e la lignina sono eteropolimeri costituiti rispettivamente da polisaccaridi e polialcoli.
Il grafene dalle biomasse
Sono stati utilizzati due metodi per la sintesi di grafene dalla biomassa. Il primo aumenta la quantità di carbonio fisso nella biomassa sottoponendola a pirolisi o torrefazione. Successivamente, il prodotto ottenuto da questo processo viene combinato con sali metallici e viene effettuato un trattamento termico ad alte temperature.
Nell'altro metodo si utilizzano monomeri delle macromolecole costituenti la biomassa; sono uniti attraverso reazioni chimiche catalizzate dalla temperatura, radiazioni ultrasoniche o ultraviolette e leganti organici.
Questi metodi di sintesi sono ancora in fase sperimentale.
Adsorbimento dell'erbicida glifosato utilizzando nanocompositi a base grafene
Attualmente, vi è una preoccupazione ambientale e sanitaria per l'uso di erbicidi. Si tratta di agenti chimici che agiscono in diverse vie metaboliche di piante, erbe ed erbe infestanti indesiderate; a causa del costante aumento della domanda alimentare mondiale, si è reso necessario un uso massiccio di queste sostanze chimiche in agricoltura. Tra gli altri, il glifosato è uno degli erbicidi ad ampio spettro più controversi attualmente utilizzati, sebbene circa 20 paesi lo abbiano vietato.
In nanocompositi a base di grafene opportunamente costruiti possono essere dei buoni candidati per l’adsorbimento del glifosano dall'ambiente.
Biomass valorization by thermal treatments: Graphene-based materials and their application on glyphosate adsorption, Front. Sustain., 31 August 2022, Sec. Sustainable Chemical Process Design, Volume 3 - 2022 | https://doi.org/10.3389/frsus.2022.926438
 Il grafene, che cosa è |
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