I materiali a base di carbone hanno numerose applicazioni sia tal quali che funzionalizzati, grazie alle loro proprietà chimiche e strutturali. Tra i vari campi in cui vengono utilizzati questi materiali vi sono la catalisi, la purificazione di flussi liquidi e gassosi, l’elettrochimica e diversi campi biologici.
I materiali a base di carbone puri vengono utilizzati in catalisi come supporti per fasi attive, ma anche come catalizzatori stessi. La presenza dei gruppi funzionali sulla superficie permette infatti a diverse molecole di reagire grazie ad essi. Ad esempio, il propano può essere deidrogenato a propilene mediante l’utilizzo di carboni mesoporosi. L’aggiunta di eteroatomi o metalli sulla superficie del carbone aumenta notevolmente il numero di siti attivi e quindi l’attività di questi materiali come catalizzatori per diverse reazioni, ad esempio per reazioni redox e acido base15. I nanomateriali di carbone vengono utilizzati come catalizzatori
elettrochimici e fotochimici. Infatti, sono spesso impiegati come elettrodi per l’immagazzinamento e la conversione di energia e come catalizzatori fotochimici
Capitolo 1 – Materiali a base di carbonio
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per la produzione di energia solare22. Inoltre i materiali a base di carbone possono
essere anche utilizzati come bio-elettrodi, supportandovi opportuni microorganismi22.
I materiali carboniosi possono essere ampiamente utilizzati per l’adsorbimento di molecole organiche e ioni inorganici. I carboni con elevata area superficiale, quindi, sono spesso sfruttati per la depurazione di flussi d’acqua di scarico o acqua marina15.
I carboni trovano applicazione anche in campo biologico come sistemi per drug delivery. Sfere di carboni mesoporosi sono infatti utilizzati per il trasporto dell’ibuprofene all’interno delle cellule15. Funzionalizzando adeguatamente la
superficie i materiali a base di carbone possono essere sfruttati come strumenti per l’imaging cellulare15.
I materiali carboniosi hanno quindi un numero elevato di applicazioni in diversi ambiti, grazie soprattutto alla versatilità delle loro proprietà di bulk e superficiali che possono essere variate a seconda delle esigenze. In particolare, i carboni attivi sono di grande interesse per la loro economicità e la possibilità di applicarli e produrli su scala industriale. Una delle limitazioni di questi materiali è l’elevata area superficiale confinata all’interno di micropori (minori di 2 nm), che può portare a problemi di diffusione elevati in alcune applicazioni catalitiche o di adsorbimento. Per questo motivo sono in corso numerosi studi sulla sintesi di carboni mesoporosi (diametro dei pori tra 2 e 50 nm) con elevata area superficiale.
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Capitolo 1 – Materiali a base di carbonio
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Capitolo 2 – Utilizzo dei materiali a base di carbonio in catalisi
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2 Utilizzo dei materiali a base di
carbonio in catalisi
I materiali a base di carbonio sono utilizzati da molto tempo in catalisi soprattutto come supporti per la fase attiva. Esistono anche reazioni in cui vengono usati carboni come catalizzatori veri e propri, come nella sintesi del fosgene1. Tali
materiali presentano un’ampia varietà di proprietà e una buona stabilità meccanica, per cui possono essere utilizzati in un elevato numero di applicazioni catalitiche, sia in reazioni in fase gas che in fase liquida. Le uniche limitazioni all’utilizzo di questi materiali si trovano nelle reazioni di ossidazione e di idrogenazione. Nella prime non possono essere utilizzati a temperature superiori ai 300°C, mentre nelle seconde a valori superiori ai 400°C4.
I materiali a base di carbonio più utilizzati sono senza dubbio i carboni attivi, che risultano avere proprietà interessanti come un’elevatissima area superficiale, proprietà superficiali e di bulk variabili a seconda delle esigenze, inerzia chimica e stabilità meccanica2. Recentemente, anche grazie a una maggiore comprensione
delle loro proprietà superficiali, i carboni attivi sono stati utilizzati come supporti per catalizzatori in nuove aree come la tutela ambientale mediante ossidazione di VOC, dealogenazione di composti clorurati e ossidazioni catalitiche, in processi di ossidazione e idrogenazioni selettive, in reazioni catalizzate da basi, come la sintesi di prodotti di chimica fine e in reazioni catalizzate da acido come il coupling C-C (Suzuki, Heck ecc.)2.
Le proprietà dei carboni attivi possono essere trovate in molti nanocarboni, unite a molte altre. Il motivo per cui non si è ancora avuto un vero sviluppo delle applicazioni industriali dei nanomateriali a base di carbonio è principalmente il loro costo, che è diventato comparabile a quello di carboni attivi e ossidi metallici solo recentemente2.
I nanomateriali a base di carbonio presentano numerosi vantaggi rispetto a nanomateriali tradizionali (ossidi metallici) e altri materiali a base di carbonio3:
Struttura porosa controllabile;
Capitolo 2 – Utilizzo dei materiali a base di carbonio in catalisi
26 Caratteristiche uniformi;
Possibilità di combinare diverse nanostrutture per ottenere effetti sinergici; Possibilità di avere un basso numero di difetti e impurezze aumentando la
resistenza all’ossidazione;
Possibilità di variare le proprietà di conducibilità elettrica e termica, le proprietà chimiche e le proprietà bulk4;
Siti attivi specifici legati alla tensione di legame data dalla curvatura del materiale (nanotubi e fullereni) e di altro tipo.
Per questi motivi i nanomateriali a base di carbonio possono essere ottimi supporti e catalizzatori per numerose reazioni. È però necessario uno studio delle loro proprietà superficiali e bulk, in modo da capire le caratteristiche che influenzano la loro attività.