Un team di scienziati della National University of Singapore (NUS) ha sviluppato un prototipo di dispositivo che imita la fotosintesi naturale per produrre gas etilene utilizzando solo la luce solare, acqua e anidride carbonica. Il nuovo metodo, che produce etilene a temperatura e pressione ambiente utilizzando prodotti chimici benigni, potrebbe essere ampliato per fornire un'alternativa più ecologica e sostenibile all'attuale metodo di produzione dell'etilene.

Questo sviluppo guidato dall'assistente professore Jason Yeo Boon Siang del Dipartimento di Chimica della Facoltà di Scienze NUS e del Solar Energy Research Institute di Singapore (SERIS) è stato pubblicato per la prima volta sulla prestigiosa rivista scientifica ACS Sustainable Chemistry &Engineering.

Sfide dell'attuale produzione di etilene

Etilene, che è l'elemento costitutivo del polietilene, è un'importante materia prima chimica prodotta in grandi quantità per la produzione di materie plastiche, gomma e fibre. Più di 170 milioni di tonnellate di etilene sono state prodotte in tutto il mondo solo nel 2015, e la domanda globale dovrebbe superare i 220 milioni di tonnellate entro il 2020.

L'attuale produzione industriale di etilene impiega il cracking a vapore di combustibili fossili a una temperatura compresa tra 750°C e 950°C, che consuma una grande quantità di energia e mette a dura prova le risorse naturali di carburante. L'attuale metodo lascia anche una significativa impronta di carbonio, emettendo circa due tonnellate di anidride carbonica per ogni tonnellata di etilene prodotta. Come tale, c'è una crescente domanda di un modo più pulito e sostenibile di produrre etilene.

Adottare la fotosintesi artificiale

Riconoscendo la necessità di un metodo più ecologico, Asst Prof Yeo e il suo team hanno sfruttato l'energia rinnovabile per produrre etilene. Il team ha progettato per la prima volta un catalizzatore di rame nel 2015 in grado di generare etilene dall'acqua prontamente disponibile e dall'anidride carbonica se alimentato dall'elettricità. Questo catalizzatore di rame è stato successivamente introdotto in un sistema di fotosintesi artificiale per convertire l'anidride carbonica e l'acqua in etilene utilizzando solo l'energia solare. Il prototipo del dispositivo progettato per eseguire la reazione ha raggiunto un'efficienza faradica del 30% dell'etilene basata sulla quantità di elettroni generati dall'energia solare. L'efficienza energetica complessiva del solare in etilene è anche paragonabile al livello di efficienza energetica della fotosintesi naturale delle piante.

"La cattura del carbonio è un passo fondamentale nella lotta ai cambiamenti climatici causati dall'uomo. C'è stato un costante aumento della concentrazione atmosferica di anidride carbonica, perché il tasso di emissioni di anidride carbonica supera quello di cattura del carbonio. Questo è stato attribuito come una delle principali cause del riscaldamento globale che porta a cambiamenti ambientali indesiderati. Il nostro dispositivo non solo utilizza una fonte di energia completamente rinnovabile, ma converte anche anidride carbonica, un gas serra in qualcosa di utile. Questo potrebbe potenzialmente chiudere il ciclo del carbonio, ", ha detto il professor Yeo.

Il team ha anche incorporato una batteria nel dispositivo prototipo per ottenere una produzione stabile e continua di etilene, una sfida chiave nei sistemi di fotosintesi artificiale. La batteria immagazzina l'energia solare in eccesso raccolta durante il giorno per alimentare il dispositivo di notte o in condizioni di scarsa illuminazione, assicurando che le operazioni non siano interrotte dalla variazione della quantità di luce solare durante il giorno.

L'invenzione segna una pietra miliare significativa nella realizzazione di un sistema di fotosintesi artificiale scalabile per la produzione pulita e sostenibile di importanti molecole organiche come l'etilene.

Andando avanti, il team continuerà a lavorare sul proprio dispositivo per aumentare la produzione di etilene e utilizzare sistemi simili per produrre combustibili liquidi come etanolo e propanolo.