Università USA scopre catalizzatore che depura l’acqua dagli erbicidi e produce idrogeno

L’Oregon State University ha sviluppato un catalizzatore a duplice uso che pulisce l’acqua inquinata da erbicidi come il glifosato e produce idrogeno. Il catalizzatore è costituito da materiali semiconduttori come il biossido di titanio. Il catalizzatore è in grado di effettuare la fotocatalisi, che assorbe la luce per scomporre i contaminanti organici.

I ricercatori dell’Oregon State University College of Science hanno sviluppato un catalizzatore a doppia funzione che purifica l’acqua contaminata da erbicidi e produce idrogeno.

Il progetto, a cui hanno partecipato ricercatori dell’OSU College of Engineering e di HP Inc. è importante perché l’inquinamento dell’acqua è una delle principali sfide globali e l’idrogeno è un carburante pulito e rinnovabile.
I risultati dello studio, che ha esplorato i catalizzatori fotoattivi, sono stati pubblicati sulla rivista ACS Catalysis.

Kyriakos Stylianou dell’OSU ha dichiarato: “Possiamo combinare ossidazione e riduzione in un unico processo per ottenere un sistema fotocatalitico efficiente. L’ossidazione avviene attraverso una reazione di fotodegradazione e la riduzione attraverso una reazione di evoluzione dell’idrogeno”.

Un catalizzatore è una sostanza che aumenta la velocità di una reazione chimica senza subire alcun cambiamento chimico permanente.

I fotocatalizzatori sono materiali che assorbono la luce per raggiungere un livello energetico più elevato e possono utilizzare tale energia per scomporre i contaminanti organici attraverso l’ossidazione. Tra le numerose applicazioni dei fotocatalizzatori vi sono i rivestimenti autopulenti per pareti, pavimenti, soffitti e mobili resistenti alle macchie e agli odori.

Stylianou, assistente alla cattedra di chimica, ha guidato lo studio, che ha coinvolto fotocatalizzatori di biossido di titanio derivati da una struttura metallo-organica, o MOF.

Costituiti da ioni metallici con carica positiva circondati da molecole organiche “linker”, i MOF sono materiali cristallini e porosi con proprietà strutturali regolabili e pori di dimensioni nanometriche. Possono essere progettati con una varietà di componenti che determinano le proprietà del MOF.

Con la calcinazione dei MOF – un elevato riscaldamento senza fusione – si possono generare materiali semiconduttori come il biossido di titanio. Il biossido di titanio è il fotocatalizzatore più comunemente usato e si trova nei minerali anatasio, rutilo e brookite.

Stylianou e i suoi collaboratori, tra cui Líney Árnadóttir del College of Engineering dell’OSU e William Stickle dell’HP, hanno scoperto che l’anatasio drogato con azoto e zolfo è il miglior fotocatalizzatore “due piccioni con una fava” per produrre contemporaneamente idrogeno e degradare il glifosato, un erbicida molto usato.

Il glifosato, noto anche come N-fosfonometilglicina o PMG, è stato ampiamente spruzzato sui campi agricoli negli ultimi 50 anni, da quando è apparso sul mercato con il nome commerciale di Roundup dove è statom più volte messo sotto accusa perché cancerogeno.
Stylianou ha osservato: “Solo una piccola percentuale della quantità totale di PMG applicata viene assorbita dalle colture, mentre il resto raggiunge l’ambiente”. “Questo causa preoccupazioni riguardo alla lisciviazione del PMG nel suolo e nelle acque sotterranee, come è giusto che sia: l’acqua contaminata può essere dannosa per la salute di ogni essere vivente sul pianeta. E gli erbicidi che lisciviano nei canali idrici sono una causa primaria di inquinamento delle acque”.

Tra i vari composti in cui si trova l’idrogeno, l’acqua è il più comune e la produzione di idrogeno mediante scissione dell’acqua attraverso la fotocatalisi è più pulita e sostenibile rispetto al metodo convenzionale di ricavare l’idrogeno – dal gas naturale attraverso un processo di produzione di diossido di carbonio noto come reforming a vapore del metano.

L’idrogeno ha molti scopi scientifici e industriali oltre a quelli energetici. È utilizzato nelle celle a combustibile per le automobili, nella produzione di molti prodotti chimici, tra cui l’ammoniaca, nella raffinazione dei metalli e nella produzione di materie plastiche.

“L’acqua è una ricca fonte di idrogeno e la fotocatalisi è un modo per sfruttare l’abbondante energia solare della Terra per la produzione di idrogeno e il risanamento ambientale”, ha detto Stylianou. “Stiamo dimostrando che attraverso la fotocatalisi è possibile produrre un combustibile rinnovabile rimuovendo al contempo gli inquinanti organici o convertendoli in prodotti utili”.

È piuttosto insolito vedere un catalizzatore che lavora in modalità duale, offrendo due benefici. La “degradazione” è offerta come risultato del PMG, con la formazione di glicina, acido formico e acido fosforico come principali prodotti di degradazione, che dovranno quindi essere separati dall’acqua, anche se meno tossici rispetto al prodotto di partenza. L’azione di produzione di idrogeno non è chiara riguardo all’ossigeno dell’acqua. Il comunicato poi non chiarisce che cosa succeda all’ossigeno derivante dalla scissione dell’acqua: l’ottenimento di un mix di idrogeno e ossigeno sarebbe di per se non particolarmente utile, oltre che essere pericolosa.

Attualmente si è provato solo che il procedimento funziona e manca tutta la fase di ingenierizzazione e industrializzazione, tale da  trasformare un procedimento funzionante a livello sperimentale ad uno utilizzabile su scala utile per l’attività umana.  Comunque si tratta di un progresso nel campo dei catalizzatori che ha come vantaggio principale laa purificazione dell’acqua dagli erbicidi e come vantaggio secondario la produzione di idrogeno dall’acqua.