Gli scienziati sono un passo avanti verso la costruzione di un sistema di riciclaggio del carbonio in grado di raccogliere l'energia solare per convertire in modo efficiente CO2 e acqua in combustibili liquidi. Ottimizzando molte parti del sistema, dicono i ricercatori, ora possono guidare reazioni chimiche a due elettroni, un sostanziale progresso rispetto alle reazioni a un elettrone, che sono inefficienti dal punto di vista energetico.

La ricerca, riportato sul giornale Chimica della natura , aiuterà coloro che sperano di trovare un modo per convertire l'eccesso di anidride carbonica nell'atmosfera in utili fonti di energia, ha detto il professore di chimica dell'Università dell'Illinois Prashant Jain, che ha guidato la nuova ricerca.

"Gli scienziati spesso cercano nelle piante informazioni sui metodi per trasformare la luce del sole, anidride carbonica e acqua in combustibili, " Egli ha detto.

Quando l'energia solare colpisce le foglie delle piante, eccita gli elettroni della clorofilla. Questi elettroni eccitati alla fine guidano la chimica che trasforma l'anidride carbonica e l'acqua in glucosio.

"Molte di queste reazioni chimiche sono multiprotoniche, reazioni multielettroniche, " ha detto Giain.

Ma invece di affidarsi a pigmenti vegetali biodegradabili per convertire l'energia luminosa in energia chimica, gli scienziati si stanno rivolgendo a qualcosa di meglio:catalizzatori metallici ricchi di elettroni come l'oro, che a specifiche intensità luminose e lunghezze d'onda possono trasferire elettroni e protoni fotoeccitati ai reagenti senza essere degradati o consumati.

"Nel nostro studio, abbiamo usato particelle d'oro sferiche di dimensioni da 13 a 14 nanometri, " ha detto Jain. "Le nanoparticelle hanno proprietà ottiche uniche, a seconda della loro dimensione e forma."

Quando rivestito con un polimero e sospeso in acqua, Per esempio, le nanoparticelle assorbono la luce verde e riflettono un colore rosso intenso. Sotto eccitazione leggera, le nanoparticelle trasferiscono elettroni alle molecole sonda, che poi cambiano colore. Ciò consente agli scienziati di misurare l'efficienza delle reazioni di trasferimento degli elettroni.

"I ricercatori sono riusciti in passato a utilizzare la fotochimica e questi materiali che assorbono la luce per trasferire un elettrone alla volta, " disse Jain. "Ma nel nuovo studio, abbiamo identificato i principi, le regole e le condizioni in base alle quali un catalizzatore di nanoparticelle metalliche può trasferire due elettroni alla volta".

Variando l'intensità della luce laser utilizzata negli esperimenti, Jain e i suoi colleghi hanno scoperto che a quattro o cinque volte l'intensità dell'energia solare, le nanoparticelle d'oro nel sistema potrebbero trasferire fino a due elettroni alla volta dall'etanolo a una sonda affamata di elettroni.

Le reazioni a due elettroni sono di gran lunga preferibili alle reazioni a un elettrone, ha detto Jain.

"Hai bisogno di una coppia di elettroni per creare un legame tra gli atomi, " ha detto. "Quando non fornisci una coppia di elettroni e una coppia di protoni per neutralizzare la perdita di elettroni, finisci per produrre radicali liberi, che sono altamente reattivi e possono reagire all'indietro, sprecando l'energia che hai usato per crearli. Possono anche reagire con altre sostanze chimiche o distruggere il catalizzatore".

Jain ha anche concluso che i recenti esperimenti condotti dal suo laboratorio utilizzando lo stesso sistema comportavano anche multielettroni, trasferimenti multiprotonici. In quegli esperimenti, il suo laboratorio ha convertito la CO2 in etano, un composto a due atomi di carbonio più ricco di energia del metano, che contiene un solo carbonio. Jain e i suoi colleghi sperano di generare alla fine propano, che ha una spina dorsale a tre atomi di carbonio, e butano, che ne ha quattro.

"Dal punto di vista della chimica, è interessante capire le regole per mettere insieme gli atomi di carbonio, " disse Jain. "Trasferendo più di un elettrone alla volta, l'attivazione di più di una molecola di anidride carbonica alla volta sulla superficie del catalizzatore di nanoparticelle può consentirci di accedere a idrocarburi più elevati".

Sebbene le nuove scoperte rappresentino un importante passo avanti, molto più lavoro deve essere fatto prima che questa tecnologia sia pronta per essere impiegata e scalata per affrontare le sfide attuali, ha detto Jain.

"C'è ancora molta strada da fare. Penso che avremo bisogno di almeno un decennio per trovare il sequestro pratico della CO2, Fissazione di CO2, tecnologie di formazione del carburante che sono economicamente fattibili, " ha detto. "Ma ogni intuizione nel processo migliora il ritmo con cui la comunità di ricerca può muoversi".