Celle solari fotosintetiche per produrre carburante

I ricercatori della Università dell’Illinois a Chicago hanno progettato una cella solare che è economicamente ed efficientemente converte l’anidride carbonica atmosferica direttamente in combustibile ad idrocarburi, utilizzando solo la luce del sole per l’energia.

Celle fotosintetiche

La scoperta è riportato nel numero di Science di luglio 29 ed è stata finanziata dalla National Science Foundation e il Dipartimento statunitense dell’Energia.

Diversamente dalle celle solari convenzionali, che convertono la luce solare in energia elettrica che deve essere immagazzinata in batterie pesanti, il nuovo dispositivo fa essenzialmente l’opera delle piante, convertendo l’anidride carbonica atmosferica in combustibile, risolvendo due problemi cruciali contemporaneamente. Un parco solare di “foglie artificiali” potrebbe rimuovere notevoli quantità di carbonio dall’atmosfera e produrre combustibile in modo efficiente.

“La nuova cella solare non è fotovoltaica – è fotosintetica”, dice Amin Salehi-Khojin, assistente professore di ingegneria meccanica e industriale a UIC e autore senior dello studio.

“Invece di produrre energia in un insostenibile percorso a senso unico da combustibili fossili a emissioni di gas serra, ora possiamo invertire il processo e riciclare il carbonio atmosferico in combustibile utilizzando la luce solare”, ha detto.
Mentre le piante producono carburante in forma di zucchero, la foglia artificiale crea syngas, o gas di sintesi, una miscela di idrogeno e monossido di carbonio. Syngas può essere bruciato direttamente, o trasformato in diesel o altri idrocarburi.
La capacità di trasformare la CO2 in carburante ad un costo comparabile ad un gallone di benzina renderebbe i combustibili fossili obsoleti.

Le reazioni chimiche che convertono la CO2 in forme bruciabili di carbonio sono chiamate reazioni di riduzione, l’opposto dell’ossidazione o della combustione. Gli ingegneri hanno esplorato diversi catalizzatori per guidare la riduzione del CO2, ma finora tali reazioni sono state inefficienti e affidate a costosi metalli preziosi come l’argento, Salehi-Khojin ha detto.

“Quello che ci serviva era una nuova famiglia di sostanze chimiche con proprietà straordinarie”, ha detto.

Salehi-Khojin ei suoi collaboratori si sono concentrati su una famiglia di composti nanostrutturati chiamati TMDC come catalizzatori, abbinandoli con un liquido ionico non convenzionale come elettrolita all’interno di una cella elettrochimica a due compartimenti e tre elettrodi.

Il migliore di diversi catalizzatori che hanno studiato si è rivelato essere un tipo di tungsteno diselenide.

“Il nuovo catalizzatore è più attivo; più in grado di rompere i legami chimici dell’anidride carbonica”, ha detto Mohammad Asadi, primo autore sulla pubblicazione di Science.

In realtà, ha detto, il nuovo catalizzatore è 1.000 volte più veloce dei catalizzatori di metalli nobili – e circa 20 volte più conveniente.

Altri ricercatori hanno utilizzato catalizzatori TMDC per produrre idrogeno con altri mezzi, ma non per la riduzione di CO2. Il catalizzatore non poteva sopravvivere alla reazione.

“I siti attivi del catalizzatore vengono avvelenati e ossidati”, ha detto Salehi-Khojin. La svolta, ha detto, era quella di utilizzare un fluido ionico chiamato etil-metil-imidazolio tetrafluoroborate, mescolato con acqua 50-50.

“La combinazione di acqua e liquido ionico fa un co-catalizzatore che conserva i siti attivi del catalizzatore nelle difficili condizioni della reazione di riduzione”, ha detto Salehi-Khojin.

La foglia artificiale è costituita da due cellule fotovoltaiche di silicio a tripla giunzione di 18 centimetri quadrati per raccogliere la luce; il tungsteno e il sistema di co-catalizzatore a liquido ionico sul lato del catodo; e ossido di cobalto in un elettrolita di fosfato di potassio sul lato dell’anodo.

Quando la luce di 100 watt per metro quadrato – circa l’intensità media che raggiunge la superficie della Terra – eccita la cellula, idrogeno e monossido di carbonio emergono dal catodo, mentre ioni liberi di ossigeno e idrogeno vengono prodotti all’anodo.

“Gli ioni di idrogeno si diffondono attraverso una membrana al lato del catodo per partecipare alla reazione di riduzione dell’anidride carbonica”, ha detto Asadi.

La tecnologia dovrebbe essere adattabile non solo per l’uso su larga scala, come parchi solari, ma anche per applicazioni su piccola scala, ha detto Salehi-Khojin. “In futuro,” ha continuato, “può risultare utile su Marte, la cui atmosfera è per lo più anidride carbonica, se sul pianeta si troverà anche l’acqua”.

“I risultati fondono egregiamente studi sperimentali e computazionali per ottenere una nuova visione delle proprietà elettroniche uniche di metalli di transizione dicalcogenidi”, ha detto McCabe. “Il team di ricerca ha combinato questa intuizione con un po’ di ingegneria elettrochimica per compiere progressi significativi in ​​una delle zone di catalisi riferita alla conversione di energia e l’ambiente”.

“Nanostructured transition metal dichalcogenide electrocatalysts for CO2 reduction in ionic liquid” è on-line su Science.

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