La foglia artificiale produce carburante liquido dall'anidride carbonica

L’idea della fotosintesi artificiale è allettante: dispositivi in ​​grado di assorbire la luce solare e l’anidride carbonica e quindi, in presenza di acqua, produrre combustibili. I progetti si sono evoluti da sistemi del 2011 che dividevano l’acqua per produrre combustibili a idrogeno a sistemi più recenti e complessi che miravano a ridurre l’anidride carbonica utilizzandola per creare combustibili a base di carbonio.

Ma è andato tutto lentamente. Nel corso degli anni i ricercatori sono riusciti a realizzare sistemi che producono idrogeno in modo efficiente e più recentemente hanno ideato un sistema in grado di produrre syngas, che è una miscela di monossido di carbonio e idrogeno utilizzata per produrre altri prodotti come il metanolo. Ma un dispositivo in grado di produrre direttamente combustibili liquidi utili è sfuggito ai ricercatori, fino ad ora.

I ricercatori dell’Università di Cambridge hanno ora realizzato la prima foglia artificiale in grado di convertire l’anidride carbonica nei combustibili liquidi propanolo ed etanolo. Mentre altri hanno dimostrato in precedenza la conversione dell’anidride carbonica in combustibili guidata dall’elettricità, il nuovo lavoro riportato sulla rivista Nature Energy rappresenta un progresso chiave nell’uso della luce solare per produrre direttamente combustibili puliti e utili dall’anidride carbonica in un unico passaggio.

Gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando di produrre combustibili solari come un modo per imbottigliare l'energia del sole per un uso successivo e per rimuovere le emissioni di anidride carbonica dall'atmosfera. La fotosintesi artificiale rientra in questa ampia categoria e può essere ottenuta utilizzando diversi approcci. Uno è la fotocatalisi, in cui la luce solare splende direttamente su un catalizzatore guidato dalla luce come il biossido di titanio che innesca le reazioni chimiche per ridurre l’anidride carbonica e separare l’acqua.

Il team di Cambridge ha invece adottato un approccio fotoelettrochimico, spiega Motiar Rahaman, membro del team e ricercatore chimico a Cambridge. Questo approccio prevede una cella con fotoelettrodi semiconduttori che assorbono la luce solare e producono elettricità, che alimenta una reazione chimica guidata da un catalizzatore. Nel 2019, il professore di chimica di Cambridge Erwin Reisner e colleghi hanno realizzato il primo dispositivo a foglia artificiale, che produceva syngas, seguito nel 2022 da una versione galleggiante leggera di tale dispositivo.

Ciascuno di questi dispositivi ha un catodo composto da una perovskite fotovoltaica e un catalizzatore di cobalto, e un anodo costituito dal fotocatalizzatore bismuto vanadato. Quando il dispositivo è immerso nell'acqua, il vanadato di bismuto assorbe la luce solare e innesca il processo di scissione dell'acqua all'anodo. Nel frattempo, al catodo, la perovskite genera elettricità, che spinge il catalizzatore di cobalto a ridurre l’anidride carbonica e produrre gas di sintesi.

Rahaman, Reisner e il team hanno ora aggiornato il dispositivo con uno speciale catalizzatore da loro formulato, che consente al dispositivo di produrre alcoli multicarbonio invece di gas di sintesi. Il rame è l’unico metallo conosciuto in grado di formare prodotti multicarbonio a partire dall’anidride carbonica, afferma Rahaman, ma il processo richiede molta energia. Così i ricercatori lo hanno drogato con palladio per creare un catalizzatore bimetallico rame-palladio che "fa questo lavoro a basso potenziale, necessitando di bassa energia".

Una foglia artificiale viene testata sottoponendola all'irradiazione solare all'interno di un fotoreattore. Motiar Rahaman

Il dispositivo si attiva e inizia a produrre gli alcoli, con un rapporto uno a uno tra propanolo ed etanolo, quasi immediatamente quando viene immerso in acqua alla luce del sole. I ricercatori hanno lasciato funzionare la reazione per 20 ore in laboratorio, quindi hanno separato l'alcol dal reattore.

È ancora nella fase iniziale, dice Rahaman, e il dispositivo è minuscolo: solo 5 millimetri di lato. Produce solo microlitri di alcol per area di centimetro quadrato. Ma il team sta lavorando per migliorare l’efficienza del dispositivo ottimizzando i materiali che assorbono la luce per raccogliere più luce solare e modificando il catalizzatore per convertire più anidride carbonica in carburante. Hanno inoltre in programma di ingrandire il dispositivo in modo che possa produrre maggiori volumi di carburante.

"Il dispositivo è ancora piccolo perché abbiamo appena inventato la tecnologia", afferma. "Ora otteniamo alcol in quantità di microlitri. Ma abbiamo inventato la scienza. Ora sarà uno sforzo di ingegneria tecnica arrivare su scala più grande. Se aumentiamo la superficie, aumenterà la quantità di prodotto."