Trieste, 06 agosto 2025–Un innovativo approccio multi-tecnica ha permesso compiere un passo significativo verso lo sviluppo di soluzioni scalabili e a basso consumo energetico per la cattura e lo stoccaggio dell’anidride carbonica, utilizzando film a struttura metallo-organica (MOF) in grado di assorbire e rilasciare reversibilmente la CO2in determinate condizioni (mild conditions), innescate solo da variazioni di luce e temperatura. Questo potrebbe rappresentare un punto chiave per raggiungere gli obiettivi di neutralità climatica.
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).
Microscopia elettronica a scansione (SEM) e struttura dei film di Zn-MOF. Schema della crescita eteroepitassiale delle strutture Zn2L2DABCO. Due piani si allineano in piano (aree evidenziate in arancione), mentre un altro (area evidenziata in verde) si orienta in direzione fuori piano essendo parallelo al substrato. Le micrografie elettroniche a scansione (SEM) delle strutture funzionalizzate sono mostrate per (a) Zn2BDC2DABCO, (b) Zn2Me-BDC2DABCO, (c) Zn2MeO-BDC2DABCO e (d) Zn2(NH2)2-BDC2DABCO [immagine adattata da Klokic et al., Flexible metal-organic framework films for reversible low-pressure carbon capture and release, Nature Communications (2025)]“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 DrGiovanni 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.
Schema del dispositivo per tracciare l’assorbimento e il rilascio di CO2 a bassa pressione. (a) Schema del set-up di scattering a raggi X ad incidenza grazing wide angle (GIWAXS) per l’indagine delle caratteristiche cristallografiche durante l’assorbimento e il rilascio di CO2 da parte dei film Zn-MOF (b) Set-up di spettromicroscopia IR per il monitoraggio dell’assorbimento e del rilascio di CO2 in mild conditions da parte dei film MOF. (c) Microbilancia a cristalli di quarzo con modulo di dissipazione (QCM-D) che utilizza una cella di misura autocostruita per quantificare l’assorbimento di CO2 da parte dei film MOF, dotata di diodi LED per esperimenti di fotocommutazione [immagine adattata da Klokic et al., Flexible metal-organic framework films for reversible low-pressure carbon capture and release, Nature Communications (2025)].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.
L’articolo completo, Flexible metal-organic framework films for reversible low-pressure carbon capture and release, è disponibile su Nature Communications al seguente link: https://doi.org/10.1038/s41467-025-60027-6
—
CERIC-ERIC è un Consorzio europeo di infrastrutture di ricerca (ERIC) che offre a ricercatori e industrie un unico punto di accesso a oltre 60 tecniche e laboratori presso le stretture partner in otto paesi dell’Europa centro-orientale, e presso le strutture associate, per la ricerca multidisciplinare a livello micro- e nano-metrico nei campi dei materiali avanzati, dei biomateriali e delle nanotecnologie.
L’accesso ai servizi di CERIC per la ricerca avviene tramite bandi internazionali che premiano i migliori progetti e che prevedono la pubblicazione dei risultati ottenuti. Nei laboratori di CERIC si possono analizzare e sintetizzare i materiali e si può indagarne la struttura combinando tecniche basate sull’uso di NMR, elettroni, ioni, neutroni e fotoni.
