Energia

Nuovi materiali per la transizione verso le energie rinnovabili

Ogni giorno che passa, il lato oscuro della nostra dipendenza dai combustibili fossili diventa più evidente. Oltre a ridurre 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 in molte applicazioni industriali.

I catalizzatori sono sostanze che accelerano i tassi di reazioni chimiche, senza essere consumati 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 favoriscono 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 alle plastiche biodegradabili e ai fertilizzanti sicuri per l’ambiente. Possono anche promuovere lo sviluppo di soluzioni di energia verde per affrontare la crisi climatica, un’area che il gruppo di Moore ha attivamente perseguito.

Il nuovo studio si basa su indagini sul comportamento dei catalizzatori da parte di Moore e dei suoi colleghi ASU, nonché di altri ricercatori sul campo. I ricercatori sperano di produrre una nuova gamma di catalizzatori sintetici per guidare le reazioni chimiche con alta efficienza. Risultati positivi potrebbero migliorare notevolmente la produzione industriale di molti prodotti a beneficio della società. Questi includono nuovi tipi di combustibili neutri o privi di carbonio.

“È difficile imitare gli enzimi biologici per la catalisi”, ha spiegato Daiki Nishiori è ricercatore presso il centro di Biodesign per la scoperta strutturale applicata e la Scuola di scienze molecolari dell’ASU. “Gli enzimi biologici hanno strutture proteiche complesse e tridimensionali” e operano in condizioni molto diverse rispetto alla maggior parte dei catalizzatori progettati dall’uomo. “Copriamo una discreta quantità di spazio materiale in questo articolo, compresa la catalisi chimica tradizionale da parte di enzimi, così come i processi elettrocatalitici mediati da complessi biologici e / o sintetici”, afferma Moore. Lo studio passa poi a descrivere i sistemi ibridi che catturano l’energia luminosa radiante e la utilizzano per guidare le reazioni di trasferimento della 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 governano le loro 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 gli alimenti che mangiamo e, su scale temporali geologiche più lunghe, i combustibili fossili a base di carbonio su cui fanno affidamento 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.

La progettazione di nuovi dispositivi fotoelettrosintetici comporta l’utilizzo di una tecnologia di raccolta della luce, simile alle attuali celle fotovoltaiche, e l’accoppiamento a un sottile strato di materiale catalitico. In questo schema, i portatori di carica vengono trasferiti da una superficie di semiconduttore a siti catalitici. Una volta che un catalizzatore ha accumulato abbastanza portatori di carica, entra in un cosiddetto stato attivato, consentendo alla catalisi di procedere. Il processo può essere utilizzato per produrre idrogeno dall’acqua o per produrre forme ridotte di CO2, tra cui 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 energeticamente le trasformazioni chimiche in salita”, afferma Moore. Invece di produrre elettricità, la luce solare che impazza porta a reazioni chimiche catalizzato, generando in definitiva combustibili.

“Qui, i combustibili che stiamo descrivendo non sono legati a fonti di carbonio fossili. Possiamo sviluppare una chimica priva di carbonio, compresa la trasformazione dell’acqua in idrogeno gassoso, che potrebbe servire come combustibile, oppure possiamo usare la CO2 dall’atmosfera per generare combustibili contenenti carbonio “, afferma Moore. “In quest’ultimo esempio, sebbene i combustibili risultanti siano a base di carbonio, nessuna nuova fonte di CO2 viene liberata nell’atmosfera”. Il processo è una forma di riciclaggio del carbonio.

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 della carica. L’attuale studio fornisce un timido passo in questa direzione.

Accanto a questi progressi, i ricercatori nella scienza dei materiali dovranno progettare materiali in grado di sfruttare meglio questi processi, fabbricati con materiali durevoli e convenienti. Moore spera che i progressi nelle tecnologie enzimatiche, elettrocatalitiche e fotoelettrosintetiche svolgeranno un ruolo importante in un futuro energetico più sostenibile e meno distruttivo.