La crescita economica globale è accompagnata da una crescente domanda di energia, ma aumentare la produzione di energia può essere difficile. Recentemente, scienziati hanno raggiunto un'efficienza record per la conversione da solare a combustibile, e ora vogliono incorporare il meccanismo della fotosintesi per spingerlo oltre. I ricercatori presenteranno oggi i loro risultati all'American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"Vogliamo fabbricare un sistema fotocatalitico che utilizzi la luce solare per guidare reazioni chimiche di importanza ambientale, "dice Lilla Amirav, dottorato di ricerca, ricercatore principale del progetto.

Nello specifico, il suo gruppo presso l'Israel Institute of Technology sta progettando un fotocatalizzatore in grado di scomporre l'acqua in idrogeno. "Quando mettiamo le nostre nanoparticelle a forma di bastoncino in acqua e facciamo luce su di esse, generano cariche elettriche positive e negative, " dice Amirav. "Le molecole d'acqua si rompono; le cariche negative producono idrogeno (riduzione), e le cariche positive producono ossigeno (ossidazione). Le due reazioni, coinvolgendo le cariche positive e negative, deve avvenire contemporaneamente. Senza sfruttare le cariche positive, le cariche negative non possono essere indirizzate per produrre l'idrogeno desiderato."

Se le cariche positive e negative, che sono attratti l'uno dall'altro, riuscire a ricombinare, si annullano a vicenda, e l'energia si perde. Così, per assicurarsi che le cariche siano sufficientemente distanti, il team ha costruito eterostrutture uniche composte da una combinazione di diversi semiconduttori, insieme a catalizzatori di metallo e ossido di metallo. Utilizzando un sistema modello, hanno studiato separatamente le reazioni di riduzione e ossidazione e hanno alterato l'eterostruttura per ottimizzare la produzione di combustibile.

Nel 2016, il team ha progettato un'eterostruttura con un punto quantico sferico di seleniuro di cadmio incorporato in un pezzo a forma di bastoncino di solfuro di cadmio. Sulla punta era localizzata una particella metallica di platino. La particella di seleniuro di cadmio ha attratto cariche positive, mentre le cariche negative si sono accumulate sulla punta. "Regolando la dimensione del punto quantico e la lunghezza dell'asta, così come altri parametri, abbiamo ottenuto il 100% di conversione della luce solare in idrogeno dalla riduzione dell'acqua, " dice Amirav. Una singola nanoparticella di fotocatalizzatore può produrre 360, 000 molecole di idrogeno all'ora, lei nota.

Il gruppo ha pubblicato i risultati sulla rivista ACS Nano lettere . Ma in questi esperimenti, hanno studiato solo la metà della reazione (la riduzione). Per un corretto funzionamento, il sistema fotocatalitico deve supportare sia reazioni di riduzione che di ossidazione. "Non stavamo ancora convertendo l'energia solare in combustibile, " Dice Amirav. "Avevamo ancora bisogno di una reazione di ossidazione che fornisse continuamente elettroni al punto quantico." La reazione di ossidazione dell'acqua avviene in un processo a più fasi, e di conseguenza rimane una sfida significativa. Inoltre, i suoi sottoprodotti sembrano compromettere la stabilità del semiconduttore.

Insieme ai collaboratori, il gruppo ha esplorato un nuovo approccio, alla ricerca di diversi composti che potrebbero essere ossidati al posto dell'acqua, che li ha portati alla benzilammina. I ricercatori hanno scoperto che potevano produrre idrogeno dall'acqua, trasformando contemporaneamente la benzilammina in benzaldeide. "Con questa ricerca, abbiamo trasformato il processo dalla fotocatalisi alla fotosintesi, questo è, conversione autentica dell'energia solare in combustibile, " dice Amirav. Il sistema fotocatalitico esegue la vera conversione dell'energia solare in legami chimici immagazzinabili, con un'efficienza di conversione dell'energia solare-chimica massima del 4,2%. "Questo dato stabilisce un nuovo record mondiale nel campo della fotocatalisi, e raddoppia il record precedente, " osserva. "Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha definito il 5-10% come la "soglia pratica di fattibilità" per la generazione di idrogeno attraverso la fotocatalisi. Quindi, siamo alle porte di una conversione dal solare all'idrogeno economicamente sostenibile."

Questi risultati impressionanti hanno motivato i ricercatori a vedere se ci sono altri composti con elevate conversioni da solare a chimica. Fare così, il team utilizza l'intelligenza artificiale. Attraverso una collaborazione, i ricercatori stanno sviluppando un algoritmo per cercare strutture chimiche per un composto ideale per la produzione di carburante. Inoltre, stanno studiando modi per migliorare il loro fotosistema, e un modo potrebbe essere quello di trarre ispirazione dalla natura. Un complesso proteico nelle membrane delle cellule vegetali che comprende i circuiti elettrici della fotosintesi è stato combinato con successo con le nanoparticelle. Amirav afferma che questo sistema artificiale finora si è dimostrato fruttuoso, supportare l'ossidazione dell'acqua fornendo una fotocorrente che è 100 volte più grande di quella prodotta da altri sistemi simili.