Gli scienziati per la prima volta hanno sviluppato una singola molecola in grado di assorbire la luce solare in modo efficiente e fungere anche da catalizzatore per trasformare l'energia solare in idrogeno, un'alternativa pulita al carburante per cose come i veicoli a gas.

Questa nuova molecola raccoglie energia dall'intero spettro visibile, e può sfruttare più del 50% di energia solare in più rispetto alle attuali celle solari. La scoperta potrebbe aiutare gli esseri umani a passare dai combustibili fossili a fonti di energia che non contribuiscono al cambiamento climatico.

I ricercatori hanno delineato i loro risultati in uno studio pubblicato oggi in Chimica della natura . Il gruppo di ricerca è stato guidato da Claudia Turro, un professore di chimica e direttore dell'Ohio State University Center for Chemical and Biophysical Dynamics.

"L'idea è che possiamo usare i fotoni del sole e trasformarli in idrogeno. Per dirla semplicemente, stiamo risparmiando l'energia dalla luce solare e la immagazziniamo in legami chimici in modo che possa essere utilizzata in un secondo momento, " disse Turro.

I fotoni sono particelle elementari della luce solare che contengono energia.

I ricercatori hanno mostrato, per la prima volta, che è possibile raccogliere energia dall'intero spettro visibile della luce solare, inclusi infrarossi a bassa energia, una parte dello spettro solare che in precedenza era stato difficile da raccogliere e trasformare, in modo rapido ed efficiente, in idrogeno. L'idrogeno è un combustibile pulito, il che significa che non produce carbonio o anidride carbonica come sottoprodotto del suo utilizzo.

"Ciò che lo fa funzionare è che il sistema è in grado di mettere la molecola in uno stato eccitato, dove assorbe il fotone ed è in grado di immagazzinare due elettroni per produrre idrogeno, " disse Turro. "Questo immagazzinamento di due elettroni in una singola molecola derivata da due fotoni, e usandoli insieme per fare l'idrogeno, è senza precedenti".

Trasformare l'energia del sole in, dire, carburante per un'auto, prima richiede un meccanismo per raccogliere l'energia. Quell'energia deve poi essere convertita in un combustibile. La conversione richiede qualcosa chiamato catalizzatore, una cosa che accelera una reazione chimica, consentendo la conversione dall'energia solare ad energia utilizzabile come l'idrogeno.

La maggior parte dei tentativi precedenti di raccogliere l'energia solare e trasformarla in idrogeno si sono concentrati sulle lunghezze d'onda della luce solare a energia più elevata:pensate ai raggi ultravioletti, Per esempio.

Anche i tentativi precedenti si sono basati su catalizzatori costituiti da due o più molecole, che scambiano elettroni, energia, mentre producono carburante dall'energia solare. Ma l'energia si perde nello scambio, rendendo questi sistemi multi-molecolari meno efficienti.

Anche i pochi tentativi che si basavano su un catalizzatore a molecola singola erano inefficienti, Turro ha detto, in parte perché non raccoglievano energia dall'intero spettro visibile della luce solare, e in parte perché i catalizzatori stessi si sono degradati rapidamente.

Il team di ricerca di Turro ha scoperto come creare un catalizzatore da una sola molecola, una forma dell'elemento rodio, il che significa che si perde meno energia, lei disse. E hanno scoperto come raccogliere energia dall'infrarosso all'ultraviolento, l'intero spettro visibile. Il sistema progettato da questo team di ricerca è quasi 25 volte più efficiente con luce nel vicino infrarosso a bassa energia rispetto ai precedenti sistemi a singola molecola operanti con fotoni ultravioletti, secondo lo studio.

Nello studio, i ricercatori hanno utilizzato i LED per illuminare le soluzioni acide contenenti la molecola attiva. Quando lo fecero, hanno scoperto che l'idrogeno è stato prodotto.

"Penso che il motivo per cui funziona sia perché la molecola è difficile da ossidare, " ha detto. "E dobbiamo avere energia rinnovabile. Immagina se potessimo usare la luce solare per la nostra energia invece del carbone, del gas o del petrolio, cosa potremmo fare per affrontare il cambiamento climatico".

Prima che la scoperta del team di ricerca possa essere messa in applicazioni del mondo reale, Turro ha detto, c'è ancora molto lavoro da fare. Il rodio è un metallo raro e la produzione di catalizzatori dal rodio è costosa. Il team sta lavorando per migliorare questa molecola per produrre idrogeno per un periodo di tempo più lungo e sta lavorando per costruire il catalizzatore con materiali meno costosi.