Fare clic sull'immagine per scaricare una versione ad alta risoluzione. Il chimico di Brookhaven Lab Javier Concepcion e Lei Wang, uno studente laureato alla Stony Brook University, ha ideato uno schema per assemblare molecole che assorbono la luce e catalizzatori che scindono l'acqua su un elettrodo rivestito di nanoparticelle. Il risultato:la produzione di idrogeno gassoso tramite la fotosintesi artificiale e una piattaforma per testare diverse combinazioni per migliorare ulteriormente l'efficienza. Credito:Brookhaven National Laboratory
Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno raddoppiato l'efficienza di una combinazione chimica che cattura la luce e divide le molecole d'acqua in modo che i mattoni possano essere utilizzati per produrre combustibile a idrogeno. Il loro studio, selezionato come "Editors' Choice" dell'American Chemical Society che apparirà sulla copertina di Journal of Physical Chemistry C , fornisce una piattaforma per lo sviluppo di miglioramenti rivoluzionari nella cosiddetta fotosintesi artificiale, un'imitazione in laboratorio del processo naturale volto a generare energia pulita dalla luce solare.
Nella fotosintesi naturale, le piante verdi usano la luce solare per trasformare l'acqua (H 2 O) e anidride carbonica (CO 2 ) in carboidrati come zucchero e amidi. L'energia della luce solare è immagazzinata nei legami chimici che tengono insieme queste molecole.
Molte strategie di fotosintesi artificiale iniziano cercando modi per utilizzare la luce per dividere l'acqua nei suoi costituenti, idrogeno e ossigeno, quindi l'idrogeno può essere successivamente combinato con altri elementi, idealmente il carbonio dall'anidride carbonica, per produrre combustibili. Ma anche far ricombinare gli atomi di idrogeno come gas di idrogeno puro (H 2 ) è un passo avanti verso la generazione di carburante pulito a energia solare.
Per ottenere la scissione dell'acqua, scienziati hanno esplorato un'ampia gamma di molecole che assorbono la luce (chiamate anche cromofori, o coloranti) accoppiati con catalizzatori chimici che possono far leva sui legami idrogeno-ossigeno molto forti dell'acqua. Il nuovo approccio utilizza "legami" molecolari, semplici catene di carbonio che hanno un'elevata affinità l'uno con l'altro, per attaccare il cromoforo al catalizzatore. I cavi tengono le particelle abbastanza vicine tra loro da trasferire gli elettroni dal catalizzatore al cromoforo, un passaggio essenziale per l'attivazione del catalizzatore, ma le tengono abbastanza distanti da non far tornare gli elettroni al catalizzatore.
"Gli elettroni si muovono velocemente, ma le reazioni chimiche sono molto più lente. Così, per dare al sistema il tempo affinché la reazione di scissione dell'acqua avvenga senza che gli elettroni ritornino al catalizzatore, devi separare quelle spese, " ha spiegato il chimico del Brookhaven Lab Javier Concepcion, che ha guidato il progetto.
Nella configurazione completa, i cromofori (legati al catalizzatore) sono incorporati in uno strato di nanoparticelle su un elettrodo. Ogni nanoparticella è costituita da un nucleo di biossido di stagno (SnO2) circondato da un biossido di titanio (TiO 2 ) guscio. Questi diversi componenti forniscono un efficiente, spostamento graduale degli elettroni per continuare ad allontanare le particelle caricate negativamente dal catalizzatore e inviarle dove sono necessarie per produrre carburante.
Ecco come funziona dall'inizio alla fine:la luce colpisce il cromoforo e dà a un elettrone una scossa sufficiente per inviarlo dal cromoforo alla superficie della nanoparticella. Da lì l'elettrone si sposta nel nucleo di nanoparticelle, e poi fuori dall'elettrodo attraverso un filo. Nel frattempo, il cromoforo, avendo perso un elettrone, estrae un elettrone dal catalizzatore. Finché c'è luce, questo processo si ripete, inviando elettroni che fluiscono dal catalizzatore al cromoforo, alla nanoparticella, al filo.
Ogni volta che il catalizzatore perde quattro elettroni, si attiva con una carica positiva abbastanza grande da rubare quattro elettroni a due molecole d'acqua. Questo rompe l'idrogeno e l'ossigeno. L'ossigeno fuoriesce come un gas (nella fotosintesi naturale, è così che le piante producono l'ossigeno che respiriamo!) mentre gli atomi di idrogeno (ora ioni perché caricati positivamente) si diffondono attraverso una membrana verso un altro elettrodo. Lì si ricombinano con gli elettroni trasportati dal filo per produrre gas idrogeno:carburante!
Basandosi sull'esperienza
Il team di Brookhaven aveva provato una versione precedente di questa configurazione di catalizzatore cromoforo in cui il colorante che assorbe la luce e le particelle di catalizzatore erano collegate molto più strettamente con legami chimici diretti invece che con legami.
"Questo è stato molto difficile da fare, compiendo molti passaggi di sintesi e purificazione, e ci sono voluti diversi mesi per fare le molecole, " Ha detto Concepcion. "E la prestazione non è stata così buona alla fine".
In contrasto, attaccare i legami della catena di carbonio a entrambe le molecole consente loro di autoassemblarsi.
"Basta immergere l'elettrodo rivestito con i cromofori in una soluzione in cui il catalizzatore è sospeso e i legami sui due tipi di molecole si trovano e si collegano, ", ha dichiarato Lei Wang, studente laureato alla Stony Brook University, un coautore dell'articolo corrente e autore principale di un articolo pubblicato all'inizio di quest'anno che descriveva la strategia di autoassemblaggio.
Il nuovo documento include dati che mostrano che il sistema con connessioni cablate è considerevolmente più stabile dei componenti collegati direttamente, e ha generato il doppio della quantità di corrente, il numero di elettroni che scorre attraverso il sistema.
"Più elettroni generi dalla luce che entra, più hai a disposizione per generare carburante a idrogeno, " ha detto Concepcion.
Gli scienziati hanno anche misurato la quantità di ossigeno prodotta.
"Abbiamo scoperto che questo sistema, utilizzando la luce visibile, è in grado di raggiungere notevoli efficienze per la scissione dell'acqua guidata dalla luce, " ha detto Concepcion.
Ma c'è ancora spazio per miglioramenti, ha notato. "Ciò che abbiamo fatto fino a questo punto funziona per produrre idrogeno. Ma vorremmo passare alla produzione di idrocarburi di maggior valore". Ora che hanno un sistema in cui possono facilmente scambiare componenti e sperimentare altre variabili, sono impostati per esplorare le possibilità.
"Uno degli aspetti più importanti di questa configurazione non è solo la performance, ma la facilità di montaggio, " ha detto Concepcion.
"Poiché queste combinazioni di cromofori e catalizzatori sono così facili da realizzare, e le catene ci danno così tanto controllo sulla distanza tra loro, ora possiamo studiare, Per esempio, qual è la distanza ottimale. E possiamo fare esperimenti combinando diversi cromofori e catalizzatori senza dover fare molte sintesi complesse per trovare le migliori combinazioni, " ha detto. "La versatilità di questo approccio ci permetterà di fare studi fondamentali che non sarebbero stati possibili senza questo sistema".
