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La fotosintesi delle piante potrebbe essere la chiave di volte approntare un processo che utilizza la l’energia solare per produrre idrogeno combustibile da utilizzare per produrre energia pulita
Da molto tempo l’uomo cerca di carpire i segreti della natura per poterli sfruttare a sua vantaggio, infatti dopo anni di perfezionamento i processi biologici hanno raggiunte un’efficienza notevolmente più elevata di qualsiasi macchina artificiale. Un esempio è la fotosintesi che riesce a sfruttare in maniera molto efficacie l’energia solare a vantaggio delle piante. La produzione di energia pulita, libera dai carburanti fossili, è una delle sfide dei prossimi decenni perché può garantire una migliore salute ecologica ed inoltre deve garantire un approvvigionamento di energia sempre più grande con lo svilupparsi delle città e della tecnologia sempre più basata sull’elettronica. Una delle possibilità più interessanti è sostituire i combustibili fossili con l’idrogeno, la cui reazione di combustione ha come scarto unicamente dell’acqua. Il problema però rimane la produzione e lo stoccaggio di grandi quantità di idrogeno.
Una cella a idrogeno combustibile
Recentemente, gli scienziati hanno raggiunto un’efficienza record per la conversione da solare a idrogeno combustibile e ora vogliono incorporare il meccanismo della fotosintesi per raggiungere nuovi traguardi. I ricercatori presenteranno i loro risultati al Virtual Meeting & Expo dell’American Chemical Society (ACS) Autunno 2020. Lilac Amirav, Ph.D., ricercatore principale del progetto, afferma:
Vogliamo fabbricare un sistema fotocatalitico che utilizzi la luce solare per guidare reazioni chimiche di importanza ambientale.
Fotosintesi e idrogeno combustibile: un nuovo modo di sfruttare l’energia solare?
Nello specifico, il suo gruppo presso l’Israel Institute of Technology sta progettando un fotocatalizzatore in grado di scomporre l’acqua in idrogeno combustibile utilizzando l’energia solare e ora vogliono ispirarsi alla fotosintesi. Amirav spiega:
Quando mettiamo le nostre nanoparticelle a forma di bastoncello in acqua e le illuminiamo con la luce solare, generano cariche elettriche positive e negative. Le molecole d’acqua così si rompono; le cariche negative producono idrogeno (riduzione), e le cariche positive producono ossigeno (ossidazione). Le due reazioni, che coinvolgono la carica positiva e quella negativa, devono avvenire contemporaneamente. Senza sfruttare le cariche positive, le cariche negative non possono essere instradate per produrre l’idrogeno desiderato.
Si tratta in pratica di elettrolisi dell’acqua, solo che in questo caso è l’energia solare a produrre le cariche elettriche. Se le cariche positive e negative, attratte l’una dall’altra, riescono a ricombinarsi, si annullano a vicenda e la reazione di scissione non riesce ad avvenire in modo efficiente. Quindi, per assicurarsi che le cariche siano abbastanza distanti, il team ha costruito eterostrutture composte da una combinazione di diversi semiconduttori, insieme a catalizzatori di metallo e ossido di metallo. Utilizzando un modello, hanno studiato le reazioni di riduzione e ossidazione separatamente e hanno alterato l’eterostruttura per ottimizzare la produzione di carburante.
Eterostrutture viste al microscopio elettronico
Nel 2016, il team ha progettato un’eterostruttura con un punto quantico sferico di cadmio-seleniuro incorporato in una struttura a forma di bastoncello di solfuro di cadmio. Una particella metallica di platino è stata poi posizionata sulla punta. La particella di cadmio-seleniuro ha attratto cariche positive, mentre le cariche negative si sono accumulate sulla punta. Amirav osserva:
Regolando la dimensione del punto quantico e la lunghezza dell’asta, così come altri parametri, abbiamo ottenuto la conversione del 100% della luce solare in idrogeno dalla riduzione dell’acqua. Una singola nanoparticella di fotocatalizzatore può produrre 360.000 molecole di idrogeno all’ora.
Il gruppo ha pubblicato i risultati sulla rivista ACS Nano Letters. Ma in questi esperimenti, hanno studiato solo metà della reazione (la riduzione). Per un corretto funzionamento, il sistema fotocatalitico ispirato alla fotosintesi delle piante per produrre idrogeno carburante convertendo l’energia solare deve supportare sia le reazioni di riduzione che quelle di ossidazione. Amirav dice:
Non stavamo ancora convertendo l’energia solare in combustibile. Avevamo ancora bisogno di una reazione di ossidazione che fornisse continuamente elettroni al punto quantico.
La reazione di ossidazione dell’acqua si verifica in un processo in più fasi e, di conseguenza, rimane una sfida significativa. Inoltre, i suoi sottoprodotti sembrano compromettere la stabilità del semiconduttore. Insieme ai collaboratori, il gruppo ha esplorato un nuovo approccio, alla ricerca di diversi composti che potessero essere ossidati al posto dell’acqua, che li ha portati alla benzilammina. I ricercatori hanno scoperto che potevano produrre idrogeno dall’acqua, trasformando contemporaneamente la benzilammina in benzaldeide.
Con questa ricerca, abbiamo trasformato il processo dalla fotocatalisi alla fotosintesi, ovvero una vera conversione dell’energia solare in carburante.
Il sistema fotocatalitico ottenuto esegue la vera conversione dell’energia solare in legami chimici immagazzinabili, con un massimo del 4,2% di efficienza di conversione dell’energia solare in chimica.
Questa cifra stabilisce un nuovo record mondiale nel campo della fotocatalisi e raddoppia il record precedente. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha definito il 5-10% come soglia di fattibilità pratica per la generazione di idrogeno tramite fotocatalisi. Quindi, siamo alle porte di una conversione da solare a idrogeno economicamente sostenibile.
L’ispirazione nella fotosintesi delle piante
Questi risultati impressionanti hanno motivato i ricercatori a vedere se ci sono altri composti con elevate conversioni da solare a chimica. Per farlo, il team utilizza l’intelligenza artificiale. Attraverso una collaborazione, i ricercatori stanno sviluppando un algoritmo per cercare nelle strutture chimiche un composto ideale per la produzione di carburante. Inoltre, stanno studiando modi per migliorare il loro sistema e un modo potrebbe essere quello di trarre ispirazione dalla natura. Un complesso proteico nelle membrane delle cellule vegetali che è contenute nei “circuiti elettrici” della fotosintesi è stato combinato con successo con le nanoparticelle.
La fotosintesi
Amirav sostiene che questo sistema artificiale fino ad ora si è dimostrato fruttuoso, sostenendo l’ossidazione dell’acqua e fornendo una fotocorrente 100 volte maggiore di quella prodotta da altri sistemi simili. L’idea di sfruttare la fotosintesi come fonte di ispirazione potrebbe rivelarsi la scelta vincente nella sfida per sfruttare l’energia solare in modo da produrre grandi quantità di idrogeno combustibile che potrà alimentare auto, centrali elettriche e quant’altro. Manca davvero poco perché i risultati nei laboratori diventino interessanti lato pratico. Dalla sezione scienze è tutto! Continuate a seguirci tante altre news e curiosità!
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