Un nuovo approccio alla fotosintesi artificiale utilizza la luce solare per trasformare l'anidride carbonica in metano, che potrebbe contribuire a rendere i dispositivi alimentati a gas naturale a emissioni zero.

Il metano è il principale componente del gas naturale. La fotosintesi è il processo attraverso il quale le piante verdi utilizzano la luce solare per produrre cibo da anidride carbonica e acqua, rilasciando ossigeno come sottoprodotto. La fotosintesi artificiale spesso mira a produrre combustibili idrocarburici, simile al gas naturale o alla benzina, dagli stessi materiali di partenza.

Il metodo di generazione del metano è reso possibile da un nuovo catalizzatore sviluppato attraverso una collaborazione tra l'Università del Michigan, McGill University e McMaster University. Un documento sui risultati è pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Il catalizzatore a energia solare è costituito da materiali abbondanti e funziona in una configurazione che potrebbe essere prodotta in serie. I ricercatori pensano che potrebbe riciclare l'anidride carbonica della ciminiera in combustibile a combustione pulita entro 5-10 anni.

"Il trenta per cento dell'energia negli Stati Uniti proviene dal gas naturale, " disse Zetian Mi, Professore U-M di ingegneria elettrica e informatica, che ha co-diretto il lavoro con Jun Song, professore di ingegneria dei materiali alla McGill University. "Se siamo in grado di generare metano verde, è un grosso problema."

Il principale vantaggio è che il team ha sfruttato correnti elettriche relativamente grandi con un dispositivo che dovrebbe essere possibile produrre in serie. È anche particolarmente bravo a incanalare quell'elettricità verso la formazione di metano, con metà degli elettroni disponibili che vanno verso reazioni che producono metano piuttosto che verso sottoprodotti come l'idrogeno o il monossido di carbonio.

"I precedenti dispositivi di fotosintesi artificiale spesso funzionano a una piccola frazione della massima densità di corrente di un dispositivo al silicio, considerando che qui operiamo all'80 o al 90% del massimo teorico utilizzando materiali pronti per l'industria e catalizzatori abbondanti in terra, " disse Baowen Zhou, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Mi che lavora a questo progetto.

Trasformare l'anidride carbonica in metano è un processo molto difficile. Il carbonio deve essere raccolto dalla CO ₂ , che richiede molta energia perché l'anidride carbonica è una delle molecole più stabili. Allo stesso modo, L'H2O deve essere scomposta per attaccare l'idrogeno al carbonio. Ogni carbonio ha bisogno di quattro atomi di idrogeno per diventare metano, creando una complicata danza a otto elettroni (ogni legame carbonio-idrogeno ha due elettroni al suo interno, e ci sono quattro legami).

Il design del catalizzatore è fondamentale per il successo della reazione.

"La domanda da un milione di dollari è come navigare rapidamente attraverso l'enorme spazio di materiali per identificare la ricetta ottimale, " ha detto la canzone.

Il lavoro teorico e computazionale del suo team ha identificato il componente chiave del catalizzatore:nanoparticelle di rame e ferro. Il rame e il ferro trattengono le molecole con i loro atomi di carbonio e ossigeno, guadagnare tempo affinché l'idrogeno faccia il salto dai frammenti della molecola d'acqua all'atomo di carbonio.

Il dispositivo è una sorta di pannello solare tempestato di nanoparticelle di rame e ferro. Può utilizzare l'energia del sole o una corrente elettrica per abbattere l'anidride carbonica e l'acqua.

Lo strato di base è un wafer di silicio, non dissimili da quelli già presenti nei pannelli solari. Quel wafer è ricoperto di nanofili, ciascuno 300 nanometri (0,0003 millimetri) di altezza e circa 30 nanometri di larghezza, costituito dal nitruro di gallio semiconduttore.

La disposizione crea un'ampia superficie su cui possono verificarsi le reazioni. I nanofili punteggiati di nanoparticelle sono ricoperti da un sottile film d'acqua.

Il dispositivo può essere progettato per funzionare solo con l'energia solare, oppure la produzione di metano può essere amplificata con un supplemento di energia elettrica. In alternativa, funzionando con l'elettricità, il dispositivo potrebbe potenzialmente funzionare al buio.

In pratica, il pannello di fotosintesi artificiale dovrebbe essere collegato a una fonte di anidride carbonica concentrata, ad esempio anidride carbonica catturata da ciminiere industriali. Il dispositivo può anche essere configurato per produrre gas naturale sintetico (syngas) o acido formico, un conservante comune nei mangimi.