Una ricerca scopre un modo più efficiente della fotosintesi per produrre metano

Un gruppo di ricerca della City University di Hong Kong ha recentemente sviluppato un sistema fotocatalitico artificiale stabile che è più efficiente della fotosintesi naturale e che quindi può produrre metano con un’efficienza superiore a quella naturale. Il nuovo sistema imita un cloroplasto naturale per convertire l’anidride carbonica presente nell’acqua in metano, un combustibile prezioso, utilizzando la luce in modo molto efficiente. Questa promettente scoperta potrebbe contribuire all’obiettivo della neutralità del carbonio.

La fotosintesi è il processo mediante il quale i cloroplasti nelle piante e in alcuni organismi utilizzano luce solare, acqua e anidride carbonica per creare cibo o energia. Negli ultimi decenni, molti scienziati hanno cercato di sviluppare processi di fotosintesi artificiale per trasformare l’anidride carbonica in combustibile a emissioni zero.
Il professor Ye Ruquan, professore associato presso il Dipartimento di Chimica di CityU, uno dei leader dello studio congiunto, ha spiegato: “Tuttavia, è difficile convertire l’anidride carbonica in acqua perché molti fotosensibilizzatori o catalizzatori si degradano in acqua. Sebbene i cicli fotocatalitici artificiali abbiano dimostrato di operare con una maggiore efficienza intrinseca, la bassa selettività e stabilità in acqua per la riduzione dell’anidride carbonica hanno ostacolato le loro applicazioni pratiche.

Nell’ultimo studio pubblicato su Nature Catalysis, il team di ricerca congiunto di CityU, Università di Hong Kong (HKU), Università di Jiangsu e Shanghai Institute of Organic Chemistry dell’Accademia cinese delle scienze ha superato queste difficoltà utilizzando un approccio di assemblaggio supramolecolare creare un sistema fotosintetico artificiale. Imita la struttura dei cromatofori di raccolta della luce di un batterio viola (cioè cellule che contengono pigmento), che sono molto efficienti nel trasferire energia dal sole.

Il nucleo del nuovo sistema fotosintetico artificiale è una nanomicella artificiale altamente stabile, un tipo di polimero che può autoassemblarsi in acqua, con estremità che amano l’acqua (idrofile) e altre idrofobe. La testa idrofila della nanomicella funge da fotosensibilizzante per assorbire la luce solare e la sua coda idrofobica funge da induttore per l’autoassemblaggio.

Quando viene posto in acqua, le nanomicelle si autoassemblano a causa del legame idrogeno intermolecolare tra le molecole d’acqua e le code. L’aggiunta di un catalizzatore di cobalto determina la produzione di idrogeno fotocatalitico e la riduzione di anidride carbonica, con conseguente produzione di idrogeno e metano.

Usando tecniche di imaging avanzate e spettroscopia ultraveloce, il team ha svelato le caratteristiche atomiche dell’innovativo fotosensibilizzatore. Hanno scoperto che la speciale struttura della testa idrofila della nanomicella, insieme al legame idrogeno tra le molecole d’acqua e la coda della nanomicella, ne fanno un fotosensibilizzante artificiale stabile e compatibile con l’acqua, risolvendo il problema convenzionale di instabilità e incompatibilità con l’acqua della fotosintesi artificiale. L’interazione elettrostatica tra il fotosensibilizzatore e il catalizzatore di cobalto e il forte effetto dell’antenna di raccolta della luce della nanomicella hanno migliorato il processo fotocatalitico. Nell’esperimento, il team ha scoperto che il tasso di produzione di metano era superiore a 13.000 μmol h−1 g−1 , con una resa quantica del 5,6% nelle 24 ore. Ha anche raggiunto un tasso di efficienza da solare a combustibile altamente efficiente del 15%, superando la fotosintesi naturale.

Ancora più importante, il nuovo sistema fotocatalitico artificiale è economicamente fattibile e sostenibile, in quanto non si basa su costosi metalli preziosi. “L’autoassemblaggio gerarchico del sistema offre una promettente strategia dal basso verso l’alto per creare un sistema fotocatalitico artificiale controllato con precisione e ad alte prestazioni basato su elementi economici e abbondanti sulla Terra, come i complessi di porfirina di zinco e cobalto”, ha affermato il professor Ye.

Il professor Ye ha anche commentato che ritiene che l’ultima scoperta gioverà e ispirerà la progettazione razionale dei futuri sistemi fotocatalitici per la conversione e la riduzione dell’anidride carbonica utilizzando l’energia solare, contribuendo all’obiettivo della neutralità del carbonio.
Lo studio è stato sostenuto da varie fonti di finanziamento, tra cui la National Natural Science Foundation of China, il Guangdong Basic and Applied Basic Research Fund, il Shenzhen Science and Technology Program e l’Hong Kong Research Grant Council.

Questo studio apre la strada alla produzione di metano non per via biologica, riuscendo quindi ad ottenere un processo più rapido e che non necessita lo sviluppo di una pianta per poi sottoporla a un processo chimico. Quindi la scoperta apre la strada a combustibili naturali ottenuti dal sole e dalla CO2 atmosferica. Il sogno di Greta…