Con ogni giorno che passa, il lato oscuro della nostra dipendenza dai combustibili fossili diventa più evidente. Oltre a ridurre drasticamente le emissioni di anidride carbonica, la società deve trovare alternative sostenibili per alimentare il mondo moderno.

In un nuovo studio, Gary Moore e il suo gruppo di ricerca esplorano diversi approcci alla catalisi, un processo chimico che svolge un ruolo essenziale nelle reazioni biologiche, così come molte applicazioni industriali.

I catalizzatori sono sostanze che accelerano la velocità delle reazioni chimiche, senza essere consumato durante il processo di reazione. I catalizzatori enzimatici sono così importanti in natura che la vita sarebbe impossibile senza di loro, poiché le condizioni all'interno delle cellule viventi non sono favorevoli a molti processi chimici vitali. Le reazioni chimiche che altrimenti richiederebbero ore o addirittura giorni per verificarsi possono svolgersi in meno di un secondo con l'aiuto di catalizzatori enzimatici.

I catalizzatori chimici sono stati utilizzati in una varietà di applicazioni umane, che vanno dallo sviluppo farmaceutico alla plastica biodegradabile e ai fertilizzanti sicuri per l'ambiente. Possono anche far progredire lo sviluppo di soluzioni energetiche verdi per affrontare la crisi climatica, un'area che il gruppo di Moore ha attivamente perseguito.

Moore è ricercatore presso il Biodesign Center for Applied Structural Discovery (CASD) e professore associato presso la School of Molecular Sciences (SMS) dell'ASU. È affiancato da Daiki Nishiori, uno studente laureato in SMS e autore principale del nuovo studio, così come Brian Wadsworth, un ex studente laureato in SMS che ora è impiegato presso Intel Corporation.

I risultati dello studio appaiono nell'attuale numero della rivista Catalisi chimica.

Catalizzatori da vicino

Il nuovo studio si basa sulle indagini sul comportamento dei catalizzatori di Moore e dei suoi colleghi dell'ASU, nonché di altri ricercatori nel campo. L'attuale articolo prospettico descrive tre forme di catalisi:enzimatica, elettrocatalitico e fotoelettrosintetico, delineando i progressi fino ad oggi ed evidenziando alcune delle restanti sfide affrontate dagli scienziati che cercano una comprensione completa di questi importanti fenomeni.

Sebbene si sia appreso molto attraverso lo studio della catalisi enzimatica negli organismi viventi, i ricercatori sperano di sviluppare alternative sintetiche che possano migliorare i progetti della natura. "È difficile imitare gli enzimi biologici per la catalisi, " dice Nishiori. "Gli enzimi biologici hanno complessi, strutture proteiche tridimensionali, " e operano in condizioni molto diverse rispetto alla maggior parte dei catalizzatori progettati dall'uomo.

Anziché, i ricercatori sperano di produrre una nuova gamma di catalizzatori sintetici per guidare reazioni chimiche con elevata efficienza. Risultati positivi potrebbero migliorare notevolmente la produzione industriale di molti prodotti di beneficio per la società. Questi includono nuovi tipi di combustibili a emissioni zero oa emissioni zero.

"Copriamo una discreta quantità di spazio materiale in questo articolo, compresa la catalisi chimica tradizionale ad opera di enzimi, nonché processi elettrocatalitici mediati da complessi biologici e/o sintetici, " dice Moore. Lo studio passa poi a descrivere i sistemi ibridi che catturano l'energia della luce radiante e la usano per guidare le reazioni di trasferimento di carica. L'ovvio parallelo in natura è con i processi fotosintetici effettuati dalle piante.

Ma le tecnologie fotosintetiche artificiali non possono semplicemente replicare il progetto della natura. Oltre a una comprensione limitata delle relazioni struttura-funzione che ne regolano le prestazioni, le piante fotosintetiche convertono e immagazzinano appena l'1% della luce solare incidente raccolta dalle loro foglie sotto forma di legami chimici. Questi legami alla fine costituiscono i cibi che mangiamo, e su scale temporali geologiche più lunghe, i combustibili fossili a base di carbonio su cui si basano le nostre società moderne. Questo è tutto ciò di cui una pianta sana ha bisogno per svilupparsi e riprodursi, ma è insufficiente per le applicazioni umane.

Ricerca illuminante

La progettazione di nuovi dispositivi fotoelettrosintetici implica l'utilizzo della tecnologia di raccolta della luce, simile alle attuali celle fotovoltaiche, e accoppiandolo ad un sottile strato di materiale catalitico. In questo schema, i portatori di carica vengono trasferiti dalla superficie di un semiconduttore ai siti catalitici. Una volta che un catalizzatore ha accumulato un numero sufficiente di portatori di carica, entra in un cosiddetto stato attivato, permettendo alla catalisi di procedere. Il processo può essere utilizzato per produrre idrogeno dall'acqua o per produrre forme ridotte di CO ₂ compreso il metano, monossido di carbonio, combustibili liquidi, e altri prodotti di utilità industriale.

"Nel caso di una cella solare più tradizionale, il tuo obiettivo finale è convertire la luce solare in energia elettrica. I sistemi che stiamo sviluppando utilizzano l'energia solare per alimentare trasformazioni chimiche in salita energetica, " dice Moore. Invece di produrre elettricità, l'urto della luce solare porta a reazioni chimiche catalizzate, in ultima analisi, la generazione di combustibili.

"Qui, i combustibili che stiamo descrivendo non sono legati a fonti di carbonio fossile. Possiamo sviluppare una chimica che sia priva di carbonio, compresa la trasformazione dell'acqua in gas idrogeno, che potrebbe servire da carburante, oppure possiamo usare CO ₂ dall'atmosfera per generare combustibili contenenti carbonio, " dice Moore. "In quest'ultimo esempio, sebbene i combustibili risultanti siano a base di carbonio, nessuna nuova fonte di CO ₂ vengono liberati nell'atmosfera." Il processo è una forma di riciclaggio del carbonio.

Moore si riferisce a tali tecnologie come fotoelettrosintetiche. Sebbene promettano in modo significativo la produzione di energia pulita e la generazione più pulita di prodotti industriali utili, comprendere la chimica sia a livello teorico che pratico è impegnativo. I fotoni di luce e i portatori di carica utilizzati per avviare la catalisi sono entità quantistiche, con proprietà particolarmente sottili che i ricercatori stanno ancora lottando per modellare con precisione.

La produzione di tecnologie efficaci per affrontare le future sfide energetiche richiederà una comprensione matematica più approfondita delle dinamiche di raccolta della luce, nonché dei processi catalitici e del movimento di carica. Il presente studio fornisce un primo passo in questa direzione.

Accanto a questi progressi, i ricercatori nella scienza dei materiali dovranno progettare materiali in grado di sfruttare meglio questi processi, fabbricato con materiali durevoli e convenienti.

Nuovi percorsi attraverso il labirinto energetico

Oltre agli ostacoli puramente scientifici da affrontare, Moore afferma che i cambiamenti nelle politiche pubbliche saranno fattori critici se le tecnologie energetiche più verdi devono avere successo. "È scoraggiante competere con una tecnologia esistente che prevede semplicemente la perforazione di un buco nel terreno per estrarre una fonte di energia che è già lì, " dice Moore. Un pubblico scientificamente istruito, sarà anche vitale poter fare scelte di voto informate che influiranno sul modo in cui la società investe nelle infrastrutture future. "Vogliamo scegliere di investire in tecnologie che minimizzino l'impatto del cambiamento climatico, oppure continuiamo a fare uso di un'infrastruttura energetica con componenti e processi che hanno più di cento anni?"

Moore spera che i progressi enzimatici, le tecnologie elettrocatalitiche e fotoelettrosintetiche svolgeranno un ruolo importante in un ambiente più sostenibile, futuro energetico meno distruttivo.