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Hybrid Materials for Artificial Photosynthesis

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Fotocatalizzatori ibridi trasformano la CO2 in combustibili solari ecocompatibili

Attraverso l’impiego della fotosintesi artificiale, HyMAP ha compiuto un passo avanti nella produzione di combustibili solari e di sostanze chimiche. Sono stati dimostrati i materiali ibridi, progettati per la scissione dell’acqua e la conversione dell’anidride carbonica, da un ambiente di laboratorio a un prototipo di reattore solare.

Energia
Ricerca di base

Imitando la natura, la fotosintesi artificiale si avvale della luce solare per convertire la CO2 e l’acqua in composti che rilasciano e forniscono energia. Ma al posto di produrre zuccheri, come per le piante verdi, la fotosintesi artificiale può generare monossido di carbonio (CO), metano (CH4), metanolo (CH3OH) e idrogeno (H2), di interesse come combustibili ecologici. Il progetto HyMAP (Hybrid Materials for Artificial Photosynthesis), finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER), è stato istituito per sviluppare una nuova generazione di materiali e dispositivi ibridi organici-inorganici volti a eseguire le trasformazioni chimiche necessarie alla fotosintesi artificiale. Ciò permetterebbe lo sviluppo di alternative ecologiche agli elettrodi di stoccaggio elettrochimico per batterie. Il team ha approfondito la fotoelettrocatalisi, su scale diverse, da catalizzatori su nanoscala a reattori di impianti pilota, creando nuovi materiali ibridi fotoattivi. «I nostri risultati, in particolare quelli relativi ai rendimenti aumentati, sono all’avanguardia nel campo delle conoscenze sulla conversione dell’anidride carbonica, rappresentando un traguardo per tale ambito di ricerca», afferma Victor A de la Peña O’Shea, il ricercatore principale dell’Istituto per l’energia IMDEA. Pertanto, i risultati scientifici sono stati ampiamente divulgati su riviste prestigiose. La nuova famiglia di semiconduttori organici del progetto, realizzata con polimeri porosi coniugati, è già stata brevettata per la produzione di combustibile solare.

Materiali ibridi

Il principale obiettivo di HyMAP consisteva nello sviluppo di sistemi multifunzionali con migliori abilità per raccogliere la luce dall’intero spettro solare. A tal fine, il gruppo ha analizzato fotocatalizzatori ibridi, studiando diversi materiali e approcci. Tra le diverse strategie figuravano: 1) ingegneria di banda proibita di semiconduttori inorganici e 2) organici; 3) nonché delle loro relative eterogiunzioni; 4) strutture metallorganiche (MOF, Metal-Organic Frameworks) e 5) conversione ascendente. Le prime quattro opzioni possono raccogliere l’ultravioletto insieme alle regioni visibili dello spettro luminoso, mentre la conversione ascendente migliora la raccolta delle lunghezze d’onda dell’infrarosso. Fondamentalmente, i semiconduttori inorganici e organici potenziano la generazione e il trasferimento di carica, aumentando il rendimento del fotocatalizzatore. «La combinazione di materiali diversi, ciascuno preposto a funzioni separate di reazioni fotocatalitiche (principalmente di assorbimento luminoso, separazione di carica e catalisi), ha migliorato nel complesso l’efficienza», spiega de la Peña O’Shea. I meccanismi di reazione di tali materiali sono stati caratterizzati in laboratorio utilizzando una varietà di tecniche avanzate in situ, tra cui la spettroscopia fotoelettronica a raggi X a pressione quasi ambientale, la diffrazione dei raggi X e la radiazione di sincrotrone.

Reattore solare

Poiché gli studi del team hanno scoperto che le eterogiunzioni dei semiconduttori ibridi organici e inorganici realizzati in polimeri porosi coniugati sono particolarmente efficienti, i ricercatori hanno progettato un reattore solare in fase gassosa. Tale reattore è costituito da un riflettore solare (ossia un concentratore parabolico composto) che devia tutta la radiazione solare ricevuta verso il reattore e da un reattore anulare tubolare realizzato in vetro borosilicato, che è più resistente a temperature elevate. È stato dimostrato che tale reattore prototipale produce con successo idrogeno solare dall’acqua e dalla biomassa, nonché da altri combustibili e sostanze chimiche, quali monossido di carbonio, metano e metanolo, avvalendosi dell’anidride carbonica come reagente. «Questi risultati eccellenti per la produzione di combustibile solare hanno già portato a un impianto pilota, rafforzando le nostre conoscenze e consentendoci di mettere a punto i processi prima di considerare le opportunità commerciali», dichiara de la Peña O’Shea. «Dobbiamo ampliare l’utilizzo di tali materiali ibridi per altre reazioni, oltre la luce per includere la fotoelettrocatalisi, per combustibili e sostanze chimiche più sofisticati, quali ammoniaca, etilene ed etere dimetilico.»

Ingrandirsi per affrontare nuove sfide

Il team di HyMAP ha già avviato NanoCPPs, un progetto correlato di prova di concetto finanziato dal CER, volto a sviluppare una prova di concetto che amplia i loro polimeri porosi coniugati nanostrutturati. «Questa nanostruttura del polimero offre proprietà potenziate, aprendo le porte a migliori prestazioni», aggiunge de la Peña O’Shea. Una sfida rimanente è quella di sfruttare veramente al massimo le proprietà elettroniche di tali sistemi cosicché le alternative ecocompatibili proposte agli elettrodi attuali di stoccaggio elettrochimico per batterie possano davvero progredire e diventare una realtà.

Parole chiave

HyMAP, fotosintesi artificiale, idrogeno, combustibili solari, nano, fotocatalizzatore, organico, inorganico, semiconduttori, materiali ibridi, ecologico

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