Carburanti rinnovabili ottenuti da luce solare e CO2

La riuscita nell’imitazione del processo naturale di fotosintesi vanta la grande promessa di poter soddisfare il crescente fabbisogno energetico mondiale, minimizzando al contempo il cambiamenti climatici. La fotosintesi artificiale potrebbe offrire un’importante modo di catturare l’energia solare e conservarla per un uso successivo.

Nel tentativo di costruire sistemi che imitano i processi naturali, la fotosintesi artificiale richiede la presenza di catalizzatori per ottenere l’ossidazione dell’acqua e la riduzione H+/CO2, e necessita inoltre di un fotosensibilizzatore che alimenti l’intero processo. All’interno del progetto PHOTOCO2 (Photocatalytic reduction of carbon dioxide into fuels), gli scienziati hanno sviluppato un efficace fotocatodo composto di un fotosensibilizzatore, un supporto di semiconduttore e un catalizzatore per la riduzione H+/CO2. Lo scopo è quello di studiare la cinetica interfacciale di trasferimento degli elettroni relativa ai sistemi ibridi composti da catalizzatori molecolari per la riduzione di protoni o di CO2, immobilizzata su semiconduttori nanostrutturati.

La riduzione fotocatalitica di H2 mediante catalizzatori molecolari può essere ottenuta da catalizzatori che ricevono elettroni da un fotosensibilizzatore eccitato con uno specifico livello di energia. Per dimostrare la riduzione di H2, gli scienziati hanno sensibilizzato le nanoparticelle del semiconduttore biossido di titanio (TiO2) e un catalizzatore molecolare con una tintura a base di rutenio. Questo sistema può produrre H2 in acqua e in presenza di un donatore di elettroni con un rendimento quantico fino al 10 %. Essi hanno inoltre dimostrato che il quenching ossidativo e riduttivo della tintura consente il trasferimento di elettroni dal fotosensibilizzatore al catalizzatore molecolare.

Dopo gli studi relativi alla riduzione di protoni, il team ha accoppiato un catalizzatore contenente gruppi cyclam con gruppi carbossilici e lo hanno collegato a un semiconduttore per dimostrare la riduzione di CO2. In questo caso, il trasferimento di elettroni è stato accelerato.

Collegando il catalizzatore Re(bpy)(CO)3L sulla superficie del semiconduttore di TiO2, gli scienziati hanno riferito un aumento di 10 volte riguardo all’efficienza della catalisi relativa alla riduzione di CO2. Altri studi hanno incluso i confronti tra collegamento di catalizzatori molecolari su nanoparticelle di TiO2 e su nanoparticelle metalliche.

Gli scienziati hanno effettuato studi pionieristici, identificando i fattori che regolano l’efficienza dei sistemi ibridi catalizzatore-semiconduttore. Dato che la riduzione di CO2 si traduce in prodotti chimici ad alto valore come il metanolo, il quale può essere convertito in carburante, i risultati del progetto costituiscono una grande promessa per la futura produzione di carburante artificiale generato dal sole.