Raccogliere l’energia solare per produrre idrogeno
Gli ingegneri chimici dell’EPFL (Scuola politecnica federale di Losanna) hanno sviluppato un nuovo approccio alla fotosintesi artificiale, un metodo per raccogliere l’energia solare che produce idrogeno come combustibile pulito dall’acqua.
“La fotosintesi artificiale è il Santo Graal di tutti i chimici“, afferma Astrid Olaya, ingegnere chimico presso l’Istituto di scienze chimiche e ingegneria (ISIC) dell’EPFL. “L’obiettivo è catturare la luce solare, da un lato per ossidare l’acqua per generare ossigeno e protoni, e dall’altro per ridurre i protoni a idrogeno o CO2 a sostanze chimiche e combustibili. Questa è l’essenza di un’industria chimica circolare“.
Con l’aumento della domanda di energia, sono necessarie alternative ai combustibili fossili. L’idrogeno è una di queste alternative, che può essere consumata in semplici celle a combustibile per produrre energia, lasciando dietro di sé solo acqua.
Un metodo per produrre idrogeno è la “scissione dell’acqua” in cui le molecole d’acqua vengono scomposte in idrogeno molecolare e ossigeno. Nella fotosintesi artificiale, la luce viene assorbita per generare l’energia necessaria per rompere le molecole d’acqua.
Tuttavia, il processo rimane troppo lento. L’ossidazione dell’acqua con la luce visibile (ad esempio la luce solare) è ancora un collo di bottiglia per la fotosintesi artificiale, che ostacola lo sviluppo su larga scala nonostante oltre mezzo secolo di ricerca. “Il problema è che è difficile trovare materiali per elettrodi con un’elevata stabilità chimica, proprietà optoelettroniche adeguate e un’elevata efficienza catalitica“, afferma Olaya.
Le antenne aumentano l’efficienza
Lavorando presso il laboratorio di Hubert Girault presso l’EPFL, Olaya ha condotto uno studio che fornisce un nuovo approccio alla fotosintesi artificiale.
“In questo studio, abbiamo foto-ossidato l’acqua con una semplice molecola organica, il tetratiafulvalene(TTF)“, afferma Olaya. “È stato dimostrato che una versione salina di TTF può autoassemblarsi in microbar che fungono da antenne per catturare la luce visibile e come pompe di elettroni per ossidare l’acqua in ossigeno“. Di solito, questa è una reazione lenta e multifase, ma la pila di molecole di sale TTF può catturare i quattro elettroni necessari per ossidare una molecola d’acqua.
An oily touch
I ricercatori hanno anche utilizzato l’acqua in un’emulsione di olio. “L’antenna TTF può risiedere nella fase oleosa vicino alla fase acquosa, dove vengono estratti i protoni prodotti dall’ossidazione dell’acqua“, afferma Olaya. “Come nella fotosintesi naturale, il sistema bifasico consente un’efficiente separazione dei reagenti e dei prodotti“.
Il TTF è composto solo da atomi di carbonio, zolfo e idrogeno, che sono tutti ampiamente disponibili. Ciò significa che il nuovo metodo è anche conveniente e sostenibile, poiché non richiede ioni di metalli preziosi, come platino o iridio. “Questo lavoro è un nuovo modo di affrontare la fotosintesi artificiale con poche semplici molecole organiche“, afferma Olaya.
References
- Astrid J. Olaya, Julieta S. Riva, Dominika Baster, Wanderson O. Silva, François Pichard, Hubert H. Girault. Visible-Light-Driven Water Oxidation on Self-Assembled Metal-Free Organic@Carbon Junctions at Neutral pH. JACS Au 11 November 2021. DOI: 10.1021/jacsau.1c00408
