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Diamond materials for the photocatalytic conversion of CO2 to fine chemicals and fuels using visible light

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I ricercatori usano il diamante e la luce del sole per trasformare l’inquinamento da carbonio in carburante e prodotti chimici

Il diamante sarà anche tra i materiali più duri conosciuti, ma sotto la luce del sole inizia a perdere elettroni. Ciò si è rivelato un vantaggio per i ricercatori che lavorano alla sintesi di diversi materiali diamantati che possono essere utilizzati per ridurre le emissioni di anidride carbonica e produrre preziose materie prime nel processo.

Tecnologie industriali

La concentrazione di CO2 nell’atmosfera è in costante aumento e ciò causa molte preoccupazioni per quanto riguarda le ripercussioni sull’ambiente. Secondo gli scienziati, non solo è importante smettere di pompare megatonnellate di CO2 nell’atmosfera, ma anche iniziare a rimuovere quella che è già presente. Il diamante sintetico esposto alla luce è un nuovo possibile approccio per contribuire a combattere i cambiamenti climatici e fornire un approvvigionamento più sostenibile di materie prime per determinati settori industriali. Diversi studi recenti hanno indicato un certo successo nell’utilizzo del diamante sintetico per recuperare parte della CO2 presente nell’atmosfera e trasformarla in combustibile e prodotti chimici utilizzabili. Un nuovo approccio da parte dei ricercatori che lavorano al progetto DIACAT, finanziato dall’UE. produce due ordini di grandezza di efficienza fotocatalitica migliore rispetto ai reattori esistenti che utilizzano processi simili. I ricercatori hanno dimostrato per la prima volta un’intera gamma di composizioni di diamanti in grado di ridurre la CO2 in metanolo e formiato utilizzando la luce visibile. Hanno prodotto diversi tipi di materiali diamantati nanostrutturati e drogati con gruppi funzionali sulla loro superficie in grandi quantità e qualità riproducibile. Sono stati valutati diversi complessi metallici attivi e rivestimenti di ossidi metallici per la loro attività fotocatalitica. Combinando i migliori materiali e le migliori strutture, il gruppo di ricerca ha registrato l’osservazione della più elevata attività fotocatalitica nei materiali diamantati a tutt’oggi.

Il diamante agisce come un albero artificiale

In maniera simile agli alberi reali, che usano CO2, luce solare e acqua per produrre alimenti, i materiali diamantati sintetici sviluppati agiscono come un albero artificiale che usa gli stessi ingredienti per produrre carburante e sostanze chimiche. «Dove la natura usa la fotosintesi per produrre glucosio dalla CO2, noi produciamo metanolo e formiato su una superficie a base di carbonio utilizzando solventi ecologici e luce solare», osserva la coordinatrice del progetto Anke Krueger. Il metanolo che ne deriva è un biocarburante alternativo che può essere utilizzato per far funzionare le auto. Il formiato, che può essere ulteriormente ridotto ad altri composti, è un utile materiale precursore necessario all’industria chimica.

Proprietà ineguagliabili del diamante

Contrariamente a quanto si ritiene di solito, il diamante artificiale è un materiale facilmente reperibile, che può essere realizzato a partire dal metano utilizzando un processo di deposizione chimica di vapore. Le pellicole diamantate depositate su substrati sono ampiamente disponibili e piuttosto economiche, non sollevano alcun problema di sicurezza e sono ecocompatibili. Inoltre, il diamante ha una proprietà eccezionale che non ha analoghi in altri materiali semiconduttori. Possiede infatti la cosiddetta affinità negativa degli elettroni: gli elettroni possono lasciare la superficie del diamante senza una barriera energetica aggiuntiva quando sono eccitati alla banda di conduzione. «Generalmente ciò è possibile solo quando gli elettroni sono eccitati dalla luce ultravioletta a breve lunghezza d’onda, ma in DIACAT abbiamo condotto esperimenti con una frazione più grande della luce solare. Abbiamo notato che il diamante emette elettroni con un potenziale di riduzione molto elevato; quindi gli elettroni possono ridurre molecole altamente inerti tra cui la CO2 e l’azoto molecolare», ha spiegato Krueger. Questo insieme straordinario di proprietà fisico-chimiche ha consentito ai ricercatori di realizzare una sorta di processo di fotosintesi artificiale in cui la CO2 viene trasformata in molecole organiche con l’aiuto della luce solare e dell’acqua. La tecnologia rivoluzionaria di DIACAT è una parte importante degli sforzi complessivi dell’UE per combattere i cambiamenti climatici tramite la rimozione di CO2 dall’atmosfera. La tecnologia sarà valorizzata più efficacemente nei luoghi in cui vi è a disposizione CO2 in concentrazioni elevate. Questo fa delle centrali elettriche, delle acciaierie o dei cementifici i luoghi di elezione per l’applicazione della tecnologia in futuro.

Parole chiave

DIACAT, diamante, CO2, sostanza chimica, carburante, metanolo, formiato, fotosintesi artificiale

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