La fotosintesi artificiale decodificata
Come il nitruro di carbonio scinde l'acqua (e può produrre idrogeno verde)
Da tempo i ricercatori cercano di capire l'esatto meccanismo di scissione dell'acqua da parte dei catalizzatori al nitruro di carbonio. Il dottor Paolo Giusto e il suo team sono riusciti a catturare passo dopo passo le interazioni all'interfaccia tra nitruro di carbonio e acqua. Hanno documentato il trasferimento di protoni ed elettroni dall'acqua al catalizzatore sotto l'influenza della luce. Questa scoperta costituisce una base fondamentale per l'ottimizzazione dei materiali catalitici per la produzione efficiente di idrogeno verde come soluzione sostenibile per le energie rinnovabili.
Nella fotosintesi artificiale, il nitruro di carbonio scinde l'acqua in ossigeno e idrogeno. Questa nuova comprensione del meccanismo è fondamentale per lo sviluppo di materiali più efficienti per la produzione di idrogeno verde dalla luce solare.
© Talha Demir, MPIKG
Le piante utilizzano la luce per produrre combustibili attraverso la fotosintesi - convertono l'energia solare in molecole di zucchero. Con la fotosintesi artificiale, i ricercatori stanno imitando questo processo naturale per convertire la luce in sostanze chimiche ricche di energia e sviluppare così fonti energetiche sostenibili. I nitruri di carbonio si sono dimostrati catalizzatori efficaci in questo processo. Questi composti di carbonio e azoto utilizzano la luce per scindere l'acqua nei suoi componenti, ossigeno e idrogeno, e l'idrogeno è considerato una promettente fonte di energia rinnovabile.
Ma come funziona esattamente la scissione dell'acqua? Per la prima volta, i ricercatori sono riusciti a osservare ogni fase di una delle reazioni più studiate ma meno comprese dell'ultimo decennio. "Questo va oltre la risposta a un'annosa questione di ricerca di base", sottolinea il dottor Paolo Giusto, responsabile dello studio, dell'Istituto Max Planck per i Colloidi e le Interfacce. "La scoperta di come le molecole d'acqua interagiscono con i nitruri di carbonio sotto l'influenza della luce offre spunti fondamentali per l'ulteriore sviluppo di tecnologie energetiche verdi".
La chiave per risolvere questo rompicapo scientifico risiede nei complessi processi che hanno luogo quando l'acqua aderisce alla superficie del nitruro di carbonio. Finora, le diverse scale temporali delle reazioni coinvolte hanno reso difficile ottenere un quadro completo, per cui i ricercatori hanno dovuto affidarsi a calcoli teorici ed esperimenti retrospettivi. Utilizzando moderne tecniche spettroscopiche, Giusto e il suo team sono ora riusciti a cogliere la dinamica del nitruro di carbonio con le mani in pasta.
I processi decisivi avvengono all'interfaccia, a livello nanometrico, tra il nitruro di carbonio solido e le molecole di acqua liquida. Il nitruro di carbonio trasferisce la densità di elettroni alle molecole d'acqua, creando il cosiddetto sistema ibrido. "Da questo momento in poi, l'acqua e il catalizzatore si comportano come un nuovo sistema ibrido di semiconduttori. È come se formassero una squadra le cui proprietà differiscono significativamente da quelle dei singoli elementi", spiega la dott.ssa Sonia Żółtowska.
Il trasferimento delle particelle crea uno squilibrio che innesca ulteriori reazioni e indebolisce i legami chimici dell'acqua. Il nitruro di carbonio assorbe la luce e ne utilizza l'energia per destabilizzare ulteriormente le molecole d'acqua, con un trasferimento di elettroni accoppiati a protoni. "Questo significa che un protone con carica positiva e un elettrone con carica negativa vengono trasferiti contemporaneamente dall'acqua al catalizzatore", spiega il dottor Daniel Cruz del Fritz Haber Institute. Questo composto intermedio era il pezzo mancante del puzzle della fotosintesi artificiale: il team ha registrato in tempo reale il meccanismo che alla fine scinde l'acqua in ossigeno e idrogeno.
Questa scoperta nel campo della chimica di superficie ha profonde implicazioni per lo sviluppo di soluzioni energetiche sostenibili. Sebbene l'uso su larga scala dell'idrogeno come alternativa ai combustibili fossili sia ancora un obiettivo per il futuro, questo risultato della ricerca offre preziose indicazioni per l'ottimizzazione dei catalizzatori. Ci avvicina in modo decisivo alla produzione efficiente di idrogeno attraverso la scissione dell'acqua.
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