Produzione pulita di idrogeno ispirata alle piante
L’idrogeno ha il potenziale per rivoluzionare la matrice energetica europea, fornire energia pulita e ridurre la dipendenza del continente dai combustibili fossili. Tuttavia, oltre il 95 % degli attuali metodi di produzione dell’idrogeno genera grandi quantità di gas a effetto serra, il che significa che non è ancora pulito. Nel progetto CLEANH2, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra), i ricercatori si sono ispirati alla fotosintesi delle piante per sviluppare nuovi modi più puliti di generare idrogeno. Il team CLEANH2, guidato da Nicolas Boscher(si apre in una nuova finestra) presso l’Istituto di scienza e tecnologia del Lussemburgo, ha progettato una serie di polimeri che imitano il processo di fotosintesi, scindendo l’acqua per ottenere idrogeno pulito. «Da oltre 3 miliardi di anni la natura attua la scissione dell’acqua utilizzando la luce solare», spiega Boscher, coordinatore del progetto CLEANH2. «La scissione fotocatalitica dell’acqua, nota anche come fotosintesi artificiale, utilizza la luce per scindere le molecole di H2O in H2 e O2», spiega.
Creazione di polimeri fotosintetizzanti
Per la loro nuova generazione di polimeri per la scissione dell’acqua, il team si è rivolto a molecole note come metalloporfirine, composti progenitori della clorofilla fotosintetizzante presente nelle piante. Le metalloporfirine sono un buon candidato per la scissione dell’acqua in quanto possono facilmente convertirsi tra gli stati di ossidazione per innescare reazioni elettrochimiche e produrre idrogeno. Per creare i nuovi fotocatalizzatori polimerici, i ricercatori hanno attaccato tra loro (polimerizzato) le metalloporfirine. I polimeri che ne derivano sono in grado di assorbire la luce e di convertirla in energia, consentendo poi lo svolgimento di reazioni elettrochimiche per la creazione di idrogeno. «Il legame covalente coniugato che si forma tra le metalloporfirine durante la loro polimerizzazione garantisce un effetto cooperativo tra di esse, facilitando il trasferimento di carica e potenziando l’attività catalitica», spiega. Tuttavia, la creazione di tali polimeri non è semplice. La sintesi e l’uso pratico dei polimeri a base di metalloporfirine sono limitati dal fatto che non si dissolvono facilmente nei liquidi. Il team ha quindi adottato un approccio diverso, operando quando i composti sono allo stato gassoso. Con il nuovo approccio, il team è riuscito a produrre con successo una serie di nuovi polimeri, sintetizzati direttamente in forma di film sottile. Ciò significa che i ricercatori potrebbero facilmente studiare la loro capacità di scindere l’acqua e produrre idrogeno.
Esplorare altri processi catalitici
«I metalloporfirinoidi sono stati selezionati dalla natura per svolgere numerose importanti reazioni catalitiche: la fotosintesi delle clorofille, la respirazione dei citocromi, la vitamina B12 coinvolta nel metabolismo», osserva l’autore. «La capacità di ingegnerizzare con precisione le proprietà dei film sottili di polimeri a base di metalloporfirine, come quella ottenuta nel progetto CLEANH2, apre la strada ad altri importanti processi catalitici.» I ricercatori si baseranno ora sui risultati ottenuti per progettare catalizzatori polimerici a base di metalloporfirine per convertire la luce solare e semplici molecole di partenza in carburante o prodotti chimici avanzati. Hanno già progettato e sviluppato tali catalizzatori per la conversione ad alta resa e selettiva dei nitrati, presenti in numerosi flussi di rifiuti, in ammoniaca.
Rivoluzionare la capacità dell’Europa di produrre idrogeno pulito
Il piano prevede di sintetizzare sostanze chimiche ancora più avanzate, un lavoro attualmente sostenuto dai fondi Orizzonte nel progetto SUN2CN, anch’esso coordinato da Boscher. Questo progetto intende realizzare un dispositivo autonomo Solar-to-X per convertire molecole semplici e a bassa energia presenti nei flussi di rifiuti in preziosi prodotti chimici a base di carbonio e azoto (C-N), utilizzando la luce solare come unica fonte di energia. «I prodotti chimici C-N, come l’urea e la metilammina, fondamentali per l’agricoltura e l’industria farmaceutica, contribuiscono in modo significativo alla salute umana e alla qualità della vita», afferma il ricercatore. «Se avrà successo, il nuovo dispositivo eliminerà la necessità di risorse fossili e la produzione di ammoniaca ad alta intensità energetica», aggiunge. «SUN2CN intende realizzare una svolta nei settori della chimica e dell’energia».
