Il problema del CO2? Una tecnologia innovativa può superarlo

Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology hanno sviluppato un fotocatalizzatore a base di polimeri per la riduzione della CO2 che presenta prestazioni senza precedenti. Realizzato con elementi abbondanti e che non richiede complessi trattamenti o modifiche post-sintesi, potrebbe aprire la strada a una nuova classe di fotocatalizzatori per convertire in modo efficiente la CO2 in sostanze chimiche utili.

L’idea è quella di convertire la CO2 in sostanze chimiche utili, come il monossido di carbonio (CO) e l’acido formico (HCOOH). In particolare, i sistemi di riduzione fotocatalitica della CO2 utilizzano la luce visibile o ultravioletta per guidare la riduzione della CO2, proprio come le piante utilizzano la luce solare per condurre la fotosintesi. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno presentato molti sofisticati fotocatalizzatori basati su strutture metallo-organiche e polimeri di coordinazione (CP). Sfortunatamente, la maggior parte di essi richiede complessi trattamenti e modifiche post-sintesi o è costituita da metalli preziosi.

In un recente studio pubblicato su ACS Catalysis, il team di ricerca giapponese ha trovato un modo per superare queste sfide. Guidato dal professore assistente con nomina speciale Yoshinobu Kamakura e dal professor Kazuhiko Maeda del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), il team ha sviluppato un nuovo tipo di fotocatalizzatore per la riduzione della CO2 basato su un CP contenente legami piombo-zolfo (Pb-S). Conosciuto come KGF-9, il nuovo CP consiste in una struttura a n infiniti (-Pb-S-) con proprietà diverse da qualsiasi altro fotocatalizzatore conosciuto.

Per esempio, il KGF-9 non ha pori o vuoti, il che significa che ha una bassa area superficiale. Nonostante questo, però, ha ottenuto una spettacolare performance di fotoriduzione. Sotto l’irradiazione della luce visibile a 400 nm, il KGF-9 ha dimostrato una resa quantica apparente (resa del prodotto per fotone assorbito) del 2,6% e una selettività di oltre il 99% nella riduzione della CO2 a formiato, sale dell’acido formico con formula HCOO- , che può essere la base di una molteplicità di composti organici.

Il Prof. Maeda ha dichiarato: “Questi valori sono i più alti finora riportati per la riduzione di CO2 a HCOO- da parte di un fotocatalizzatore monocomponente, privo di metalli preziosi. Il nostro lavoro potrebbe far luce sul potenziale dei CP non porosi come unità costruttive per i sistemi di conversione fotocatalitica della CO2”.

Oltre alle sue notevoli prestazioni, il KGF-9 è più facile da sintetizzare e utilizzare rispetto ad altri fotocatalizzatori. Poiché i siti attivi del Pb (dove avviene la riduzione della CO2) sono già “installati” sulla sua superficie, il KGF-9 non richiede la presenza di un cocatalizzatore, come nanoparticelle metalliche o complessi metallici. Inoltre, non richiede altre modifiche post-sintetiche per funzionare a temperatura ambiente e sotto l’illuminazione della luce visibile. Praticamente riusciamo a ricreare parzialmente il processo di fotosintesi assorbendo il CO2 e ottenendo, in cambio, materie prime utili all’industria chimica. 

Il team del Tokyo Tech sta già esplorando nuove strategie per aumentare l’area superficiale del KGF-9 e migliorare ulteriormente le sue prestazioni. Essendo il primo fotocatalizzatore con Pb(II) come centro attivo, ci sono buone possibilità che il KGF-9 apra la strada a una riduzione della CO2 economicamente più fattibile. A questo proposito, il team di ricerca ha concluso: “Crediamo che il nostro studio offra un’opportunità senza precedenti per lo sviluppo di una nuova classe di fotocatalizzatori economici per la riduzione della CO2, costituiti da elementi abbondanti di terra”.

Questa notizia rappresenta una svolta per il settore dei catalizzatori. Innanzitutto il Pb, o piombo, è un catalizzatore, il che è già di per sé una sorpresa. Poi non sono coinvolti metalli preziosi. E il tutto è legato a un polimero! Questo può essere un punto di svolta per le tecnologie di assorbimento del CO2 che potrebbero risolvere il problema in futuro.