Mentre le foglie artificiali promettono di eliminare l'anidride carbonica, un potente gas serra, dall'atmosfera, c'è un "lato oscuro delle foglie artificiali che è stato trascurato per più di un decennio, "secondo Meenesh Singh, assistente professore di ingegneria chimica presso l'Università dell'Illinois al Chicago College of Engineering.

Le foglie artificiali funzionano convertendo l'anidride carbonica in carburante e l'acqua in ossigeno utilizzando l'energia del sole. I due processi avvengono separatamente e simultaneamente su entrambi i lati di una cella fotovoltaica:l'ossigeno viene prodotto sul lato "positivo" della cella e il combustibile viene prodotto sul lato "negativo".

Singh, chi è l'autore corrispondente di un nuovo articolo in Materiali energetici applicati ACS , afferma che le attuali foglie artificiali sono estremamente inefficienti. Finiscono per convertire solo il 15% dell'anidride carbonica che assorbono in carburante e ne rilasciano l'85%, insieme all'ossigeno gassoso, ritorno all'atmosfera.

"Le foglie artificiali che abbiamo oggi non sono davvero pronte a mantenere la loro promessa come soluzioni per la cattura del carbonio perché non catturano tutta quella quantità di anidride carbonica, e infatti, rilasciano la maggior parte del gas di anidride carbonica che assorbono dal lato "positivo" in evoluzione dell'ossigeno, " ha detto Singh.

Il motivo per cui le foglie artificiali rilasciano così tanta anidride carbonica nell'atmosfera ha a che fare con il punto in cui l'anidride carbonica va nella cella fotoelettrochimica.

Quando l'anidride carbonica entra nella cellula, viaggia attraverso l'elettrolita della cellula. Nell'elettrolita, l'anidride carbonica disciolta si trasforma in anioni bicarbonato, che viaggiano attraverso la membrana verso il lato "positivo" della cellula, dove si produce ossigeno. Questo lato della cellula tende ad essere molto acido a causa della scissione dell'acqua in gas ossigeno e protoni. Quando gli anioni bicarbonato interagiscono con l'elettrolita acido sul lato anodico della cella, l'anidride carbonica viene prodotta e rilasciata con l'ossigeno gassoso.

Singh ha notato che un simile fenomeno di rilascio di anidride carbonica che si verifica nella foglia artificiale può essere visto in cucina quando il bicarbonato di sodio (soluzione di bicarbonato) viene miscelato con aceto (soluzione acida) per rilasciare uno spumante di bolle di anidride carbonica.

Risolvere questo problema, Singh, in collaborazione con i ricercatori del Caltech Meng Lin, Lihao Han e Chengxiang Xiang, ha ideato un sistema che utilizza una membrana bipolare che impedisce agli anioni bicarbonato di raggiungere il lato "positivo" della foglia neutralizzando il protone prodotto.

La membrana posta tra i due lati della cella fotoelettrochimica mantiene l'anidride carbonica lontana dal lato acido della foglia, impedendo la sua fuga nell'atmosfera. Le foglie artificiali che utilizzano questa membrana specializzata hanno trasformato dal 60% al 70% dell'anidride carbonica che hanno assorbito in carburante.

"La nostra scoperta rappresenta un altro passo avanti nel rendere le foglie artificiali una realtà aumentando l'utilizzo di anidride carbonica, " ha detto Singh.

All'inizio di quest'anno, Singh e colleghi hanno pubblicato un articolo su ACS Sustainable Chemistry &Engineering, dove hanno proposto una soluzione a un altro problema con le foglie artificiali:i modelli attuali utilizzano anidride carbonica pressurizzata dai serbatoi, non l'atmosfera.

Propose un'altra membrana specializzata che avrebbe permesso alle foglie di catturare l'anidride carbonica direttamente dall'atmosfera. Singh spiega che questa idea, insieme ai risultati riportati in questa pubblicazione corrente sull'utilizzo di più delle catture di anidride carbonica, dovrebbe contribuire a rendere pienamente implementabile la tecnologia delle foglie artificiali.