Figura 1:rilevamento dell'ossigeno (O2) generato dalla fotosintesi artificiale utilizzando un microelettrodo. Credito:Università di Kobe
Attualmente, la maggior parte dell'energia consumata dalla popolazione mondiale deriva dal petrolio e da altre risorse non rinnovabili che rischiano di esaurirsi nel prossimo futuro. Di conseguenza lo sviluppo di metodi di fotosintesi artificiale che utilizzano fotocatalizzatori per produrre energia chimica (combustibile a idrogeno) dalla luce solare e dall'acqua ha ricevuto molta attenzione e vari progetti di ricerca sono in corso in questo settore.
Durante la fotosintesi artificiale, ossigeno (O 2 ) è prodotto dal fotocatalizzatore tramite la reazione di scissione dell'acqua. Lavorando con i ricercatori dell'Università di Kanazawa, Shinshu University e l'Università di Tokyo, Il professor Onishi Hiroshi et al. della Graduate School of Science dell'Università di Kobe ha sviluppato un metodo di valutazione della misurazione in grado di rilevare O 2 1000 volte più veloce dei metodi convenzionali. Si spera che il metodo sviluppato attraverso questa ricerca possa essere utilizzato per migliorare la nostra comprensione dei meccanismi di reazione alla base della fotosintesi artificiale e contribuire allo sviluppo di fotocatalizzatori che potrebbero essere implementati nel mondo reale.
È stata riconosciuta l'importanza di rendere pubblici questi risultati di ricerca il prima possibile; il documento pubblicato sulla rivista dell'American Chemistry Society Catalisi ACS è stata data una versione online avanzata il 29 ottobre, 2020.
Background di ricerca
fotosintesi artificiale, che può essere utilizzata per produrre energia chimica (combustibile a idrogeno) dalla luce solare e dall'acqua ha ricevuto molta attenzione per il suo potenziale di fornire una fonte di energia che non emette CO 2 .I fotocatalizzatori sono il componente chiave della fotosintesi artificiale. Il primo materiale fotocatalizzatore è stato scoperto e sviluppato da ricercatori giapponesi negli anni '70, e gli scienziati di tutto il mondo hanno costantemente cercato di migliorare la loro efficienza negli ultimi 50 anni.
L'attuale studio di ricerca ha utilizzato un titanato di stronzio (SrTiO 3 ) fotocatalizzatore, che è stato originariamente sviluppato dal Professore a contratto speciale Domen Kazunari et al. della Shinshu University (un ricercatore che ha contribuito a questo studio). Come risultato di vari miglioramenti apportati dal Professore Associato di Shinshu HISATOMI Takashi et al. (anche un ricercatore collaboratore), questo materiale fotocatalitico ha raggiunto la più alta resa di reazione (cioè l'efficienza della conversione dell'idrogeno dall'acqua tramite illuminazione mediante luce ultravioletta) al mondo. L'ultimo problema rimanente è migliorare l'efficienza della generazione di idrogeno dall'acqua e dalla luce solare, invece della luce ultravioletta artificiale. Superare questo problema significherebbe la nascita della CO 2 -tecnologia di produzione di combustibile a idrogeno gratuito che può essere utilizzata dalla società.
Però, un fattore che ostacola gli sforzi per migliorare l'efficienza di conversione è il basso tasso di ossigeno prodotto dall'acqua quando viene prodotto anche l'idrogeno. Per generare idrogeno (H2) dall'acqua (H2O) tramite la fotosintesi artificiale, deve aver luogo la seguente reazione chimica:2H 2 O → 2H 2 + O 2 . Anche se l'obiettivo è produrre idrogeno (che può essere utilizzato come combustibile dalla società) e non ossigeno, i principi della chimica richiedono che l'ossigeno venga prodotto dall'acqua allo stesso tempo per produrre idrogeno.
Per di più, il processo di generazione dell'ossigeno è più complicato del processo di generazione dell'idrogeno, che di conseguenza rende difficile migliorare l'efficienza della reazione (gli atomi di ossigeno prelevati da due H 2 le particelle di O devono aderire l'una all'altra). Questo è un collo di bottiglia che limita la conversione efficiente dell'idrogeno dall'acqua utilizzando la luce solare.
Una soluzione sarebbe quella di migliorare l'efficienza della conversione dell'ossigeno dall'acqua, tuttavia questa non è una questione semplice. Non è ben compreso come l'ossigeno venga generato dall'acqua (cioè il meccanismo alla base della reazione), quindi cercare di migliorare questa reazione è come lavorare al buio. Per fare luce sulla situazione, questa ricerca mirava a sviluppare un metodo di rilevamento ad alta velocità per osservare l'ossigeno generato dalla fotosintesi artificiale per rivelare il meccanismo alla base della reazione acqua-ossigeno.
Metodologia di ricerca
Questo studio di ricerca ha utilizzato un metodo di analisi chimica subacquea utilizzando un microelettrodo sviluppato dal professor TAKAHASHI Yasufumi et al. dell'Università di Kanazawa. (ricercatore collaboratore) come tecnologia di base. L'ossigeno generato dal fotocatalizzatore di fotosintesi artificiale è stato rilevato mentre si fondeva nuovamente nell'acqua. Come mostrato nella Figura 1, il pannello fotocatalizzatore di titanite di stronzio è stato immerso in acqua. Il microelettrodo, che consisteva in un filo di platino di 20 micrometri (circa ¼ di un capello umano) con i lati rivestiti di vetro, è stato calato nell'acqua a 100 micrometri di distanza dalla superficie del pannello fotocatalizzatore.
Quando il pannello fotocatalizzatore è stato illuminato da luce ultravioletta (con una lunghezza d'onda di 280 nm) da un diodo emettitore di luce, ossigeno (O 2 ) e idrogeno (H 2 ) sono stati dissociati dall'acqua nel punto in cui è entrato in contatto con il pannello. Queste molecole di ossigeno e idrogeno sono state successivamente rilasciate nell'acqua. L'ossigeno rilasciato è stato disperso nell'acqua e ha raggiunto il microelettrodo. L'ossigeno che ha raggiunto il microelettrodo ha ricevuto quattro elettroni (e-) dall'elettrodo determinando la seguente trasformazione:O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − .
Il numero di elettroni ricevuti dall'elettrodo dall'ossigeno può essere determinato misurando la corrente elettrica che passa attraverso l'elettrodo. La misurazione della corrente elettrica che passava attraverso l'elettrodo ogni 0,1 secondi ha permesso ai ricercatori di calcolare la quantità di ossigeno che raggiungeva l'elettrodo ogni 0,1 secondi. Rivelazione gas-cromatografica, l'apparato analitico utilizzato fino ad oggi per la rilevazione dell'ossigeno, può misurare solo la quantità di ossigeno ogni tre minuti. Questo studio è riuscito a sviluppare un metodo di rilevamento 1000 volte più veloce.
Non è difficile calcolare il tempo necessario all'ossigeno per percorrere la distanza di 100 micrometri attraverso l'acqua dal pannello del fotocatalizzatore all'elettrodo. Ciò può essere ottenuto conducendo simulazioni numeriche su un computer desktop, basato sulle leggi di diffusione di Fick. Il confronto dei risultati della misurazione ottenuti dal microelettrodo con quelli della simulazione ha rivelato che c'era un ritardo di uno o due secondi tra il pannello del fotocatalizzatore che veniva illuminato dalla luce UV e l'ossigeno che veniva rilasciato nell'acqua. Questo ritardo è un fenomeno nuovo che non è stato possibile osservare tramite il rilevamento gascromatografico.
Si ritiene che questo ritardo sia una fase preparatoria necessaria affinché il fotocatalizzatore illuminato inizi la scissione dell'acqua. La ricerca futura cercherà di verificare questa ipotesi, oltre a indagare cosa sta facendo il fotocatalizzatore durante la fase preparatoria. Tuttavia, si prevede che il metodo di rilevamento dell'ossigeno sviluppato in questo studio, che è 1000 volte più veloce dei precedenti metodi di rilevamento, porterà a nuovi sviluppi nella fotosintesi artificiale.
Professor Onishi Hiroshi, Scuola di specializzazione in scienze, Università di Kobe, dice, "Sono uno specialista in chimica fisica, e l'idea di rilevare l'ossigeno generato tramite la fotosintesi artificiale utilizzando un microelettrodo mi è venuta nel 2015. All'Università di Kobe, abbiamo installato l'apparato di misura sviluppato dal professor Takahashi et al., che sono esperti in analisi chimiche utilizzando microelettrodi, e iniziò ad applicarlo ai fotocatalizzatori.
"Migliorando l'apparato e accumulando know-how sul suo funzionamento, abbiamo verificato che questo metodo è in grado di misurare l'ossigeno generato dal pannello fotocatalizzatore fornito dal Professor Domen e dal Professor Associato Hisatomi et al., che sono le autorità nella ricerca sui fotocatalizzatori.
"Inoltre, tre studenti laureati della Graduate School of Science dell'Università di Kobe sono stati in prima linea in questa ricerca per il periodo quinquennale che va dallo sviluppo del programma per computer per la simulazione numerica fino alla scoperta del "ritardo di rilascio dell'ossigeno".
"Le tre squadre hanno portato le caratteristiche distintive dei loro rispettivi campi di chimica fisica, chimica analitica e chimica dei catalizzatori per lo sviluppo di questa ricerca. Attraverso questa collaborazione, siamo riusciti a contribuire con una nuova prospettiva alla scienza della fotosintesi artificiale".
