Illustrazione del sistema di fotosintesi artificiale che utilizza un fotocatalizzatore a base di grafene per produrre acido formico dall'anidride carbonica sotto luce visibile. Credito immagine:Yadav, et al. ©2012 American Chemical Society
(Phys.org) -- Convertendo la luce solare in energia chimica, i sistemi di fotosintesi artificiale potrebbero potenzialmente produrre fonti rinnovabili, combustibili e prodotti chimici non inquinanti per un'ampia varietà di usi. Ma lo sviluppo di un efficiente processo di conversione da solare a combustibile si è rivelato estremamente impegnativo. Sebbene i ricercatori abbiano dimostrato la fattibilità della fotosintesi artificiale, raggiungere un'elevata efficienza si è rivelato più difficile.
In un nuovo studio, un team di scienziati del Korea Research Institute of Chemical Technology di Daejon, Corea del Sud, e la Ewha Womans University di Seoul, Corea del Sud, hanno dimostrato che il grafene può fungere da fotocatalizzatore efficiente per migliorare l'efficienza di un sistema di fotosintesi artificiale. Come fotocatalizzatore, il grafene utilizza la luce solare per stimolare la reazione senza esserne coinvolto.
Come spiegano i ricercatori, un buon fotocatalizzatore per un tale sistema dovrebbe operare nello spettro della luce visibile, poiché il 46% dell'energia solare totale sulla Terra è nel campo visibile e solo il 4% nell'intervallo UV. Precedenti studi hanno sperimentato compositi grafene-semiconduttore come fotocatalizzatori, ma i risultati hanno mostrato che questi materiali avevano bassi livelli di trasferimento di elettroni, che ha portato a basse efficienze.
Nel nuovo studio, gli scienziati hanno usato il grafene da solo come fotocatalizzatore, che hanno poi accoppiato ad un enzima porfirina. I ricercatori hanno dimostrato che questo materiale potrebbe convertire la luce solare e l'anidride carbonica in acido formico, una sostanza chimica utilizzata nell'industria della plastica e come combustibile nelle celle a combustibile. I test hanno dimostrato che il fotocatalizzatore a base di grafene è altamente funzionale nel regime di luce visibile, e che la sua efficienza complessiva è significativamente superiore alle efficienze di altri fotocatalizzatori.
Struttura 3D del fotocatalizzatore a base di grafene utilizzato per la fotosintesi artificiale. Credito immagine:Yadav, et al. ©2012 American Chemical Society
“Il sistema accoppiato fotocatalizzatore-enzima è uno dei sistemi di fotosintesi artificiale più ideali che utilizzano l'energia solare per la sintesi di vari prodotti chimici e combustibili, "Ha detto il coautore Jin-Ook Baeg del Korea Research Institute of Chemical Technology Phys.org . “Per l'uso pratico del processo di fotosintesi artificiale del foto-bioreattore, uno dei compiti più impegnativi è la ricerca di un materiale attivo a luce visibile altamente efficiente che agisca da fotocatalizzatore nel sistema di rigenerazione del NADH e inneschi la produzione enzimatica di sostanze chimiche solari/combustibile solare da CO 2 . Come passo verso questo obiettivo, riportiamo la sintesi di un nuovo materiale attivo a luce visibile a base di grafene come fotocatalizzatore del sistema foto-bioreattore per un'efficiente produzione fotosintetica artificiale di acido formico da CO 2 .”
Per comprendere le origini dell'attività fotocatalitica potenziata, i ricercatori hanno esaminato il fotocatalizzatore utilizzando la spettroscopia, analisi termica, e tecniche di microscopia. Hanno scoperto che il materiale ha buone capacità di trasferimento di elettroni, e l'ampia superficie del grafene aiuta ad accelerare le reazioni chimiche nel processo di conversione.
La capacità di produrre combustibile solare direttamente da CO 2 ha applicazioni non solo per celle a combustibile e materie plastiche, ma anche nell'industria farmaceutica.
“Come uno dei forti meriti pratici del sistema, può anche essere utilizzato per la produzione di prodotti della chimica fine su misura utilizzando l'energia della luce solare, "Baeg ha detto. "Per esempio, i derivati chirali del 2-ammino-1-ariletanolo sono un intermedio molto importante di molti tipi di farmaci chirali molto costosi. Può essere facilmente sintetizzato dal nostro sistema di fotosintesi artificiale accoppiato fotocatalizzatore-enzima semplicemente utilizzando l'energia della luce solare. Attualmente stiamo svolgendo la ricerca per sviluppare il sistema di fotosintesi artificiale accoppiato fotocatalizzatore-enzima per prodotti chimici solari chirali su misura. I risultati saranno pubblicati prossimamente. Perciò, questo documento non solo mostra un esempio di riferimento del materiale a base di grafene utilizzato come fotocatalizzatore nella fotosintesi artificiale generale, ma anche l'esempio di riferimento del sistema di produzione selettiva di prodotti chimici solari/combustibile solare direttamente da CO 2 .”
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