Il nuovo sistema fotocatalitico converte il carbonio dio

Università della città di Hong Kong

immagine: Un sistema fotocatalitico di autoassemblaggio gerarchico (a sinistra) imita l'apparato di fotosintesi naturale di un batterio viola, chiamato Rhodobacter sphaeroides (a destra), raggiungendo un'efficienza da solare a combustibile del 15% quando converte l'anidride carbonica in metano.vedere di più

Crediti: (a sinistra) gruppo di ricerca del Professor Ye Ruquan / City University of Hong Kong e (a destra) Biophysical Journal, 99:67-75, 2010

Un gruppo di ricerca congiunto diUniversità della città di Hong Kong (CityU) e i suoi collaboratori hanno recentemente sviluppato un sistema fotocatalitico artificiale stabile che è più efficiente della fotosintesi naturale. Il nuovo sistema imita un cloroplasto naturale per convertire l’anidride carbonica presente nell’acqua in metano, un combustibile prezioso, utilizzando la luce in modo molto efficiente. Si tratta di una scoperta promettente, che potrebbe contribuire all’obiettivo della neutralità del carbonio.

La fotosintesi è il processo mediante il quale i cloroplasti nelle piante e in alcuni organismi utilizzano la luce solare, l'acqua e l'anidride carbonica per creare cibo o energia. Nei decenni passati, molti scienziati hanno cercato di sviluppare processi di fotosintesi artificiale per trasformare l’anidride carbonica in combustibile a zero emissioni di carbonio.

“Tuttavia, è difficile convertire l’anidride carbonica nell’acqua perché molti fotosensibilizzatori o catalizzatori si degradano in acqua”, ha spiegatoProfessore Ye Ruquan , Professore Associato presso il Dipartimento di Chimica della CityU, uno dei leader dello studio congiunto. “Sebbene sia stato dimostrato che i cicli fotocatalitici artificiali funzionano con un’efficienza intrinseca più elevata, la bassa selettività e stabilità nell’acqua per la riduzione dell’anidride carbonica hanno ostacolato le loro applicazioni pratiche”.

Nell'ultimo studio, il gruppo di ricerca congiunto della CityU, dell'Università di Hong Kong (HKU), dell'Università di Jiangsu e dell'Istituto di Chimica Organica di Shanghai dell'Accademia cinese delle Scienze ha superato queste difficoltà utilizzando un approccio di assemblaggio supramolecolare per creare un sistema artificiale sistema fotosintetico. Imita la struttura dei cromatofori che raccolgono la luce dei batteri viola (cioè le cellule che contengono pigmento), che sono molto efficienti nel trasferire l'energia dal sole.

Il nucleo del nuovo sistema fotosintetico artificiale è una nanomicella artificiale altamente stabile, un tipo di polimero che può autoassemblarsi in acqua, con un’estremità amante dell’acqua (idrofila) e una che teme l’acqua (idrofobica). La testa idrofila della nanomicella funziona come un fotosensibilizzatore per assorbire la luce solare e la sua coda idrofobica funge da induttore dell'autoassemblaggio. Quando viene posto in acqua, le nanomicelle si autoassemblano grazie al legame idrogeno intermolecolare tra le molecole d'acqua e le code. L'aggiunta di un catalizzatore al cobalto determina la produzione di idrogeno fotocatalitico e la riduzione dell'anidride carbonica, con conseguente produzione di idrogeno e metano.

Utilizzando tecniche di imaging avanzate e spettroscopia ultraveloce, il team ha svelato le caratteristiche atomiche dell'innovativo fotosensibilizzatore. Hanno scoperto che la speciale struttura della testa idrofila della nanomicella, insieme al legame idrogeno tra le molecole d'acqua e la coda della nanomicella, la rendono un fotosensibilizzatore artificiale stabile e compatibile con l'acqua, risolvendo il problema convenzionale di instabilità e incompatibilità con l'acqua della fotosintesi artificiale. L'interazione elettrostatica tra il fotosensibilizzatore e il catalizzatore di cobalto e il forte effetto antenna di raccolta della luce della nanomicella hanno migliorato il processo fotocatalitico.

Nell’esperimento, il team ha scoperto che il tasso di produzione di metano era superiore a 13.000 μmol h−1 g−1, con una resa quantica del 5,6% in 24 ore. Ha inoltre raggiunto un tasso di efficienza solare-carburante altamente efficiente del 15%, superando la fotosintesi naturale.

Ancora più importante, il nuovo sistema fotocatalitico artificiale è economicamente fattibile e sostenibile, poiché non si basa su costosi metalli preziosi. “L’autoassemblaggio gerarchico del sistema offre una promettente strategia dal basso verso l’alto per creare un sistema fotocatalitico artificiale ad alte prestazioni, controllato con precisione, basato su elementi economici e abbondanti sulla Terra, come i complessi di porfirina di zinco e cobalto”, ha affermato il professor Ye.