Foglia artificiale autonoma attaccata a un supporto in asta di metallo
I ricercatori hanno sviluppato una tecnologia a energia solare che converte l'anidride carbonica e l'acqua in combustibili liquidi che possono essere aggiunti direttamente al motore di un'auto come carburante drop-in
La sintesi di combustibili liquidi ad alta densità energetica da CO2 e H2O alimentati dalla luce solare ha il potenziale per creare un'economia circolare. Nonostante i progressi nella produzione di semplici prodotti gassosi, la costruzione di dispositivi fotoelettrochimici non assistiti per la produzione di multi-carbonio liquido rimane una sfida importante.
I ricercatori dell'University of Cambridge hanno sfruttato il potere della fotosintesi per convertire CO2, acqua e luce solare in combustibili multicarboni – etanolo e propanolo – in un unico passaggio. Questi combustibili hanno un'elevata densità energetica e possono essere facilmente immagazzinati o trasportati.
A differenza dei combustibili fossili, questi combustibili solari producono zero emissioni nette di carbonio e sono completamente rinnovabili e, a differenza della maggior parte del bioetanolo, non distolgono alcun terreno agricolo dalla produzione alimentare.
Sebbene la tecnologia sia ancora su scala di laboratorio, i ricercatori affermano che le loro “foglie artificiali” rappresentano un passo importante nella transizione da un'economia basata sui combustibili fossili. I risultati sono riportati sulla rivista Nature Energy. (1)
Il bioetanolo è pubblicizzato come un'alternativa più pulita alla benzina, poiché è prodotto da piante invece che da combustibili fossili. La maggior parte delle auto e dei camion oggi in circolazione funziona con benzina contenente fino al 10% di etanolo (carburante E10). Gli Stati Uniti sono il più grande produttore mondiale di bioetanolo: secondo il Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti, quasi il 45% (2) di tutto il mais coltivato negli Stati Uniti viene utilizzato per la produzione di etanolo.
«I biocarburanti come l'etanolo sono una tecnologia controversa, anche perché occupano terreni agricoli che potrebbero invece essere utilizzati per coltivare cibo», ha affermato il professor Erwin Reisner (3), che ha guidato la ricerca.
Per diversi anni, il gruppo di ricerca di Reisner, con sede presso il Dipartimento di Chimica Yusuf Hamied, ha sviluppato combustibili sostenibili a zero emissioni di carbonio ispirati alla fotosintesi, il processo mediante il quale le piante convertono la luce solare in cibo, utilizzando foglie artificiali.
Ad oggi, queste foglie artificiali sono state in grado di produrre solo sostanze chimiche semplici, come il syngas, una miscela di idrogeno e monossido di carbonio utilizzata per produrre carburanti, prodotti farmaceutici, plastiche e fertilizzanti. Ma per rendere la tecnologia più pratica, dovrebbe essere in grado di produrre direttamente sostanze chimiche più complesse in un unico passaggio a energia solare.
Ora, la foglia artificiale può produrre direttamente etanolo pulito e propanolo senza la necessità della fase intermedia di produzione di syngas.
I ricercatori hanno sviluppato un catalizzatore a base di rame e palladio. Il catalizzatore è stato ottimizzato in modo da consentire alla foglia artificiale di produrre sostanze chimiche più complesse, in particolare gli alcoli multicarbonici etanolo e n-propanolo. Entrambi gli alcoli sono combustibili ad alta densità energetica che possono essere facilmente trasportati e immagazzinati.
Altri scienziati sono stati in grado di produrre sostanze chimiche simili utilizzando l'energia elettrica, ma questa è la prima volta che sostanze chimiche così complesse sono state prodotte con una foglia artificiale utilizzando solo l'energia del sole.
«Fare risplendere la luce del sole sulle foglie artificiali e ottenere combustibile liquido dall'anidride carbonica e dall'acqua è un incredibile pezzo di chimica», ha affermato il dottor Motiar Rahaman (4), il primo autore dell'articolo. «Normalmente, quando provi a convertire la CO2 in un altro prodotto chimico usando un dispositivo a foglia artificiale, ottieni quasi sempre monossido di carbonio o syngas, ma qui siamo stati in grado di produrre un pratico combustibile liquido usando solo l'energia del sole. È un progresso entusiasmante che apre strade completamente nuove nel nostro lavoro».
Al momento, il dispositivo è una prova di concetto e mostra solo una modesta efficienza. I ricercatori stanno lavorando per ottimizzare gli assorbitori di luce in modo che possano assorbire meglio la luce solare e ottimizzare il catalizzatore in modo che possa convertire più luce solare in carburante. Sarà inoltre necessario ulteriore lavoro per rendere il dispositivo scalabile in modo che possa produrre grandi volumi di carburante.
«Anche se c'è ancora del lavoro da fare, abbiamo mostrato cosa sono in grado di fare queste foglie artificiali», ha detto Reisner. «È importante dimostrare che possiamo andare oltre le molecole più semplici e creare cose che siano direttamente utili mentre ci allontaniamo dai combustibili fossili».
La ricerca è stata in parte sostenuta dalla borsa di studio Marie Sklodowska-Curie della Commissione europea, dal Cambridge Trust e dal Winton Program for the Physics of Sustainability. Erwin Reisner è Fellow e Motiar Rahaman è Research Associate del St John's College di Cambridge.
Riferimenti:
(1) Solar-driven liquid multi-carbon fuel production using a standalone perovskite–BiVO4 artificial leaf
(2) Feed Grains Sector at a Glance
(3) Erwin Reisner
(4) Motiar Rahaman
Descrizione foto:
Foto destra: Una foglia artificiale autonoma attaccata a un supporto in asta di metallo. Il lato fotoanodo (quadrato verde) è visibile nella fotografia. - Credit: Motiar Rahaman.
Foto sinistra: Un fotoreattore con una foglia artificiale funzionante sotto irraggiamento solare. - Credit: Motiar Rahaman.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Driving on sunshine: clean, usable liquid fuels made from solar power