I chimici del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno progettato un nuovo catalizzatore che accelera la velocità di un passaggio chiave nella "fotosintesi artificiale", uno sforzo per imitare il modo in cui le piante, alghe, e alcuni batteri sfruttano la luce solare per convertire l'acqua e l'anidride carbonica in combustibili ricchi di energia. Questo passaggio, chiamato ossidazione dell'acqua, rilascia protoni ed elettroni dalle molecole d'acqua, producendo ossigeno come sottoprodotto.

Questo catalizzatore "a sito singolo", ovvero l'intera sequenza di reazione si svolge su un singolo sito catalitico di una molecola, è il primo a eguagliare l'efficienza dei siti catalitici che guidano questa reazione in natura. Il design a sito singolo e l'elevata efficienza migliorano notevolmente il potenziale per la realizzazione di dispositivi efficienti di conversione da solare a combustibile.

"L'obiettivo finale è rompere quei mattoni molecolari, i protoni e gli elettroni, per produrre combustibili come l'idrogeno, "ha detto David Shaffer, un ricercatore associato di Brookhaven e autore principale di un documento che descrive il lavoro nel Giornale della Società Chimica Americana . "Più efficiente è il ciclo di ossidazione dell'acqua, più energia possiamo immagazzinare."

Ma rompere le molecole d'acqua non è facile.

"L'acqua è molto stabile, " ha detto il chimico di Brookhaven Javier Concepcion, che ha guidato il gruppo di ricerca. "L'acqua può subire molti cicli di ebollizione/condensazione e rimane come H2O. Per far uscire i protoni e gli elettroni, dobbiamo fare in modo che le molecole d'acqua reagiscano tra loro."

Il catalizzatore agisce come un manipolatore chimico, mescolando le risorse delle molecole d'acqua:elettroni, ioni idrogeno (protoni), e atomi di ossigeno, per ottenere la reazione.

Il nuovo design del catalizzatore si basa su uno sviluppato dal gruppo lo scorso anno, guidato dallo studente laureato Yan Xie, che era anche un catalizzatore a sito singolo, con tutti i componenti necessari per la reazione su una singola molecola. Questo approccio è interessante perché gli scienziati possono ottimizzare il modo in cui le varie parti sono disposte in modo che le molecole che reagiscono si uniscano nel modo giusto. Tali catalizzatori non dipendono dalla libera diffusione delle molecole in una soluzione per ottenere reazioni, quindi tendono a continuare a funzionare anche se fissati ad una superficie, come sarebbero nei dispositivi del mondo reale.

"Abbiamo usato la modellazione al computer per studiare le reazioni a livello teorico per aiutarci a progettare le nostre molecole, " Concepcion ha detto. "Dai calcoli abbiamo un'idea di cosa funzionerà o no, che fa risparmiare tempo prima di entrare in laboratorio."

Sia nel design di Xie che nel nuovo miglioramento, c'è un metallo al centro della molecola, circondati da altri componenti gli scienziati possono scegliere di conferire al catalizzatore particolari proprietà. La reazione inizia ossidando il metallo, che allontana gli elettroni dall'ossigeno su una molecola d'acqua. Che lascia dietro di sé una "carica positiva, " o "attivato, " ossigeno e due idrogeni carichi positivamente (protoni).

"Portare via gli elettroni rende i protoni più facili da rilasciare. Ma hai bisogno di quei protoni per andare da qualche parte. Ed è più efficiente se rimuovi gli elettroni e i protoni allo stesso tempo per prevenire l'accumulo di cariche in eccesso, " Ha detto Concepcion. "Così Xie ha aggiunto gruppi fosfonati come ligandi sul metallo per agire come una base che avrebbe accettato quei protoni, " ha spiegato. Quei gruppi fosfonati hanno anche reso più facile ossidare il metallo per rimuovere gli elettroni in primo luogo.

Ma c'era ancora un problema. Per attivare la molecola di H2O, è prima necessario che si leghi all'atomo di metallo al centro del catalizzatore.

Nel primo disegno, i gruppi fosfonato erano così fortemente legati al metallo che impedivano alla molecola d'acqua di legarsi al catalizzatore abbastanza presto da mantenere il processo senza intoppi. Questo ha rallentato il ciclo catalitico.

Quindi la squadra ha effettuato una sostituzione. Hanno mantenuto un gruppo fosfonato come base, ma ho scambiato l'altro con un carbossilato meno strettamente legato.

"Il gruppo carbossilato può regolare più facilmente la sua coordinazione con il centro metallico per consentire alla molecola d'acqua di entrare e reagire in una fase precedente, "Ha detto Shaffer.

"Quando cerchiamo di progettare catalizzatori migliori, cerchiamo prima di capire qual è il passo più lento. Quindi ridisegniamo il catalizzatore per rendere quel passaggio più veloce, " ha detto. "Il lavoro di Yan ha fatto un passo più veloce, e questo ha fatto sì che uno degli altri passi finisse per essere il passo più lento. Quindi nel lavoro attuale abbiamo accelerato quel secondo passo mantenendo il primo veloce".

Il miglioramento ha trasformato un catalizzatore che creava due o tre molecole di ossigeno al secondo in uno che ne produceva più di 100 al secondo, con un corrispondente aumento della produzione di protoni ed elettroni che possono essere utilizzati per creare combustibile a idrogeno.

"È una velocità paragonabile alla velocità di questa reazione nella fotosintesi naturale, per sito catalitico, " disse Concepcion. "Il catalizzatore della fotosintesi naturale ha quattro centri metallici e il nostro ne ha solo uno, " ha spiegato. "Ma il sistema naturale è molto complesso con migliaia e migliaia di atomi. Sarebbe estremamente difficile replicare qualcosa del genere in laboratorio. Questa è una singola molecola e svolge la stessa funzione di quel sistema molto complesso".

Il prossimo passo è testare il nuovo catalizzatore in dispositivi che incorporano elettrodi e altri componenti per convertire i protoni e gli elettroni in combustibile a idrogeno e poi, in seguito, con composti che assorbono la luce per fornire energia per guidare l'intera reazione.

"Ora abbiamo sistemi che funzionano abbastanza bene, quindi siamo molto fiduciosi, " ha detto Concepcion.