Fotosintesi artificiale.

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Luigi Campanella, ex Presidente SCI

Il concetto di cella di foto elettrosintesi sensibilizzata con un colorante è stato di recente sviluppato presso l’Università della Carolina del Nord al Centro per la Ricerca di frontiera sull’Energia Solare con due motti guida: Fallo semplice, Lascia lavorare le molecole.

 

Risultati recenti dimostrano infatti che in quanto realizzato le molecole possono lavorare sia assorbendo la luce sia utilizzando l’input luminoso per realizzare la scomposizione dell’acqua in idrogeno e ossigeno attraverso l’azione combinata con ossidi semiconduttori. Queste ricerche si collocano nella risposta che la ricerca vuole dare alla crescente domanda di energia, che deriva dalla società civile,in particolare per le emergenze del Terzo Mondo, con la convinzione che le risorse energetiche siano finite ,con oltre l’85% dell’energia fornita dagli idrocarburi, con un crescente impatto sui cambiamenti globali del clima. Sono necessarie nuove soluzioni che forniscano tecnologie rinnovabili, indipendenti dal carbonio, o con esso integrate, caratterizzate da densità energetiche sufficienti da potere alimentare il nostro pianeta. Il sole fornisce in un’ora più di quanto richiesto in termini energetici da tutto il mondo in un anno. Il problema è che di notte il sole non c’è e lo stesso avviene con il cielo nuvoloso. E’ quindi necessario convertire l’energia solare per poterla immagazzinare ed utilizzare quando la luce del sole non è disponibile. Proprio a tal fine presso l’Università della Carolina del Nord si è sviluppato il progetto di cui sopra basato sulla Fotosintesi Artificiale. Quella naturale, come è noto, avviene nei mitocondri delle piante verdi dove la luce del sole viene assorbita ed utilizzata per dare energia al complesso macchinario molecolare che converte CO₂ ed H₂O in carboidrati. Gli stessi processi molecolari sono alla base del processo artificiale di fotosintesi, ma integrati con materiali a base di ossidi allo stato solido. Il cuore del dispositivo è un assemblaggio cromoforo-catalizzatore, il primo assorbe la luce, il secondo ossida l’acqua. Per la scomposizione dell’acqua l’assemblaggio suddetto è supportato su nano-particelle di TiO₂ del diametro di 5-10 µ.TiO₂ è un ossido semiconduttore utilizzato come pigmento nelle tinture bianche e negli schermi per la radiazione solare ultravioletta. La luce è assorbita dal cromoforo creando nella molecola un elettrone ad alta energia che viene rapidamente iniettato nel semiconduttore e trasferito attraverso un circuito esterno ad un catodo esterno dove riduce i protoni ad idrogeno. La perdita di elettroni da parte dell’assemblaggio attiva il catalizzatore verso l’ossidazione dell’acqua e dopo che sono stati persi 4 elettroni si forma l’ossigeno. Sebbene il concetto iniziale fu per primo descritto nel 1999 due limiti dovevano essere superati prima di realizzare un dispositivo funzionale. Così la superficie fosfonata per legare l’assemblaggio cromoforo-catalizzatore alla superficie dell’ossido semi conduttore era stabile solo in ambienti acidi .mentre era auspicabile che lo fosse anche in ambiente basico, con tamponi basici nei quali la velocità di ossidazione era circa un milione di volte maggiore. Una seconda difficoltà derivava dallo spessore di 5-10 µm del film sulle nano-particelle di TiO_2, troppo elevato da superare da parte degli elettroni iniettati per arrivare al catodo dove produrre idrogeno.

Entrambi questi limiti vengono superati nel nuovo dispositivo applicando una tecnica chiamata a deposizione di strati atomici, basata sulla esposizione di un reattivo, un gas precursore dell’ossido, del tipo Al(CH₃)₃ , TiCl₄ alla superficie del film sulle nano particelle di TiO₂ . Dopo la reazione con la superficie e l’esposizione all’acqua in un secondo tempo si produce un sottile strato di Al₂O₃ o di TiO₂ . Ripetendo il processo si formano sulla superficie sottili strati di ossido a spessore controllabile. Il risultato è promettente anche per il futuro con l’ipotesi di celle tandem che da un lato producono ossigeno scomponendo l’acqua al fotoanodo .e dall’altro riducono la CO₂ a formiato o singas 2:1 (H₂ :Co)al fotocatodo.

http://uncnews.unc.edu/2014/01/14/unc-researchers-harness-energy-day-use-night/