(Phys.org) — Sulla scia della triste notizia che l'anidride carbonica atmosferica è ora al suo livello più alto in almeno tre milioni di anni, è stato raggiunto un importante passo avanti nella corsa allo sviluppo di fonti di energia rinnovabile a emissioni zero. Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno segnalato il primo nanosistema completamente integrato per la fotosintesi artificiale. Mentre "foglia artificiale" è il termine popolare per un tale sistema, la chiave di questo successo era una "foresta artificiale".

"Simile ai cloroplasti nelle piante verdi che svolgono la fotosintesi, il nostro sistema fotosintetico artificiale è composto da due assorbitori di luce a semiconduttore, uno strato interfacciale per il trasporto di carica, e co-catalizzatori spazialmente separati, "dice Peidong Yang, un chimico con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, che ha condotto questa ricerca. "Per facilitare la scissione solare dell'acqua nel nostro sistema, abbiamo sintetizzato eterostrutture di nanofili ad albero, costituito da tronchi di silicio e rami di ossido di titanio. Visivamente, gli array di queste nanostrutture assomigliano molto a una foresta artificiale".

Yang, che ricopre anche incarichi con il Dipartimento di Chimica dell'Università della California Berkeley e il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca sulla rivista Nano lettere . Il documento è intitolato "Un nanosistema completamente integrato di nanofili a semiconduttore per la divisione diretta dell'acqua solare". I coautori sono Chong Liu, Jinyao Tang, Hao Ming Chen e Bin Liu.

Le tecnologie solari sono le soluzioni ideali per l'energia rinnovabile a zero emissioni di carbonio:c'è abbastanza energia in un'ora di luce solare globale per soddisfare tutte le esigenze umane per un anno. fotosintesi artificiale, in cui l'energia solare viene direttamente convertita in combustibili chimici, è considerata una delle tecnologie solari più promettenti. Una delle principali sfide per la fotosintesi artificiale è quella di produrre idrogeno abbastanza a buon mercato da competere con i combustibili fossili. Affrontare questa sfida richiede un sistema integrato in grado di assorbire efficacemente la luce solare e produrre portatori di carica per guidare semireazioni separate di riduzione dell'acqua e ossidazione.

"Nella fotosintesi naturale l'energia della luce solare assorbita produce portatori di carica energizzati che eseguono reazioni chimiche in regioni separate del cloroplasto, " Yang afferma. "Abbiamo integrato la nostra eterostruttura su nanoscala di nanofili in un sistema funzionale che imita l'integrazione nei cloroplasti e fornisce un modello concettuale per una migliore efficienza di conversione da solare a combustibile in futuro".

Quando la luce solare viene assorbita dalle molecole di pigmento in un cloroplasto, viene generato un elettrone energizzato che si sposta da una molecola all'altra attraverso una catena di trasporto fino a guidare la conversione dell'anidride carbonica in zuccheri carboidrati. Questa catena di trasporto degli elettroni è chiamata "schema Z" perché il modello di movimento assomiglia alla lettera Z sul suo lato. Yang e i suoi colleghi usano anche uno schema Z nel loro sistema, solo che distribuiscono due semiconduttori abbondanti e stabili sulla Terra - silicio e ossido di titanio - caricati con co-catalizzatori e con un contatto ohmico inserito tra di loro. Il silicio è stato utilizzato per il fotocatodo che genera idrogeno e l'ossido di titanio per il fotoanodo che genera l'ossigeno. L'architettura ad albero è stata utilizzata per massimizzare le prestazioni del sistema. Come alberi in una vera foresta, le dense schiere di alberi di nanofili artificiali sopprimono il riflesso della luce solare e forniscono una maggiore superficie per le reazioni di produzione di carburante.

"Dopo l'illuminazione, le coppie elettrone-lacuna fotoeccitate vengono generate in silicio e ossido di titanio, che assorbono diverse regioni dello spettro solare, " Yang dice. "Gli elettroni fotogenerati nei nanofili di silicio migrano verso la superficie e riducono i protoni per generare idrogeno mentre i fori fotogenerati nei nanofili di ossido di titanio ossidano l'acqua per evolvere molecole di ossigeno. La maggioranza dei portatori di carica di entrambi i semiconduttori si ricombina al contatto ohmico, completando la staffetta dello schema Z, simile a quello della fotosintesi naturale."

Sotto la luce solare simulata, questo sistema di fotosintesi artificiale integrato basato su nanofili ha raggiunto un'efficienza di conversione da solare a combustibile dello 0,12%. Sebbene paragonabile ad alcune efficienze di conversione fotosintetiche naturali, questo tasso dovrà essere notevolmente migliorato per l'uso commerciale. Però, il design modulare di questo sistema consente di incorporare facilmente i singoli componenti appena scoperti per migliorarne le prestazioni. Per esempio, Yang nota che l'uscita della fotocorrente dai catodi di silicio del sistema e dagli anodi di ossido di titanio non corrispondono, e che l'uscita fotocorrente inferiore dagli anodi sta limitando le prestazioni complessive del sistema.

"Abbiamo alcune buone idee per sviluppare fotoanodi stabili con prestazioni migliori rispetto all'ossido di titanio, " Yang dice. "Siamo fiduciosi che saremo in grado di sostituire gli anodi di ossido di titanio nel prossimo futuro e spingere l'efficienza di conversione dell'energia in percentuali a una cifra".