Ecolezione: La fotosintesi artificiale. A cura di : Roberto Meneghetti e Alex Mazzon classe 2 A IPAA Corazzin-ISISS Cerletti

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Michelangelo Capelli
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1 Ecolezione: La fotosintesi artificiale A cura di : Roberto Meneghetti e Alex Mazzon classe 2 A IPAA Corazzin-ISISS Cerletti

2 Definizione La fotosintesi artificiale è un processo chimico che riproduce il processo naturale di fotosintesi, che converte la luce del sole, acqua e anidride carbonica in carboidrati e ossigeno

3 PROCESSO Il termine si riferisce di solito a qualunque sistema per catturare e immagazzinare l'energia dalla luce del sole nei legami chimici di un combustibile (combustibile solare). La dissociazione fotocatalizzata dell'acqua converte l'acqua in protoni (e infine in idrogeno) e ossigeno ed è una delle aree di ricerca principali nella fotosintesi artificiale. La riduzione fotochimica dell'anidride carbonica è un altro processo sotto studio e riproduce la naturale fissazione del carbonio.

La dissociazione fotocatalizzata dell'acqua converte l'acqua in protoni (e infine in idrogeno) e ossigeno ed è una delle

4 Panoramica Le reazioni di fotosintesi possono essere divise in due semi-reazioni (ossidazione e riduzione), entrambe essenziali per produrre il carburante. Nella fotosintesi delle piante, le molecole d'acqua sono fotoossidate per rilasciare ossigeno e protoni. La seconda fase della fotosintesi delle piante (conosciuta come ciclo di Calvin è una reazione indipendente dalla luce che converte l'anidride carbonica in glucosio. La ricerca sulla fotosintesi artificiale sta sviluppando fotocatalizzatori per realizzare entrambe queste reazioni separatamente. Inoltre, i protoni derivanti dalla dissociazione dell'acqua possono essere usati nella produzione di idrogeno. Questi catalizzatori devono essere in grado di reagire rapidamente e assorbire una grande percentuale dei fotoni solari.

La seconda fase della fotosintesi delle piante (conosciuta come ciclo di Calvin è una reazione indipendente dalla luce che converte l'anidride carbonica in glucosio.

5 Applicazioni pratiche Fotosintesi artificiale Produce Idrogeno Biomasse

6 Origine - Ispirata al processo della fotosintesi delle piante, la soluzione messa a punto 15 settembre 2008 dal professor Nocera e da Matthew Kanan del Mit, utilizza l'energia solare per separare l'acqua in idrogeno e ossigeno che in seguito possono essere ricombinati all'interno di una cella a combustibile generando elettricità giorno e notte

l'energia solare per separare l'acqua in idrogeno e ossigeno che in seguito possono

7 FOTOSINTESI NATURALE Le piante combinano sei molecole di anidride carbonica assorbita dall aria con sei di acqua per ottenere una molecola di glucosio (uno zucchero molto semplice) e sei molecole di ossigeno. Tutto questo processo avviene grazie alla luce del sole. L energia solare quindi consente che composti semplici e poveri di energia (acqua e anidride carbonica) siano convertiti in composti complessi e molto energetici (lo zucchero). Le piante perciò immagazzinano l energia del sole e la accumulano sotto forma di energia chimica. Noi insieme a tutti gli altri animali respiriamo l ossigeno liberato nell aria dalle piante e ci nutriamo direttamente o indirettamente delle molecole energetiche che le stesse producono grazie alla fotosintesi.

L energia solare quindi consente che composti semplici e poveri di energia (acqua e anidride carbonica) siano convertiti in composti complessi e molto energetici (lo zucchero).

8 FOTOSINTESI ARTIFICIALE Il cuore attivo della foglia artificiale è costituito da un catalizzatore realizzato con due metalli piuttosto comuni: il nickel e il cobalto. Quando il congegno, immerso in acqua, viene illuminato dal sole, rompe le molecole di acqua e separa l idrogeno dall ossigeno. L idrogeno e l ossigeno prodotti sono subito accumulati in due serbatoi separati e ricombinati in una cella combustibile che ricava calore ed elettricità dalla trasformazione dei due gas di nuovo in acqua. L aspetto più ecologico del sistema è proprio l assenza totale di emissioni nocive e il riciclo continuo della stessa acqua.

L idrogeno e l ossigeno prodotti sono subito accumulati in due serbatoi separati e ricombinati in una cella combustibile che ricava calore ed elettricità

9 COMPONENTI Catalizzatori: Manganese,Biossido di titanio, Ossido di cobalto. Luce solare Materiale fotoanodo Materiale fotocatodo Membrana permeabile

10 PRODUZIONE il sistema integrato di fotosintesi artificiale raggiunge una conversione dello 0,12 per cento della luce solare in idrogeno tramite la scissione delle molecole d acqua.

11 Una scoperta fatta da ricercatori del Politecnico di Losanna permetterà di migliorare l'efficienza delle cellule fotoelettrochimiche utilizzate per produrre idrogeno dall'acqua. Le cellule foto-elettrochimiche trasformano la luce del sole in energia da utilizzare per produrre reazioni chimiche, proprio come fanno le piante nella fotosintesi. Il processo sfrutta materiali semiconduttori fotosensibili, come l'ossido rameoso, per produrre la corrente necessaria ad alimentare le reazioni. Il problema per l'uso di questo ossido nella produzione diretta di idrogeno dall'acqua è rappresentato dal fatto che la sua esposizione alla luce in acqua lo rende instabile, facendo perdere al materiale le sue proprietà semiconduttrici. Come viene illustrato in un articolo pubblicato su nature materials, i ricercatori sono riusciti nel loro intento applicando al caso dell'idrogeno tecniche già utilizzate a scala industriale per altri scopi.

Il processo sfrutta materiali semiconduttori fotosensibili, come l'ossido rameoso, per produrre la corrente necessaria ad alimentare le reazioni.

12 Il gruppo di ricercatori ha sviluppato la tecnica facendo crescere strati di ossido di zinco e ossido di titanio di spessore monoatomico sulla superficie dell'ossido di rame. Grazie a questa tecnica di deposizione atomica, è stato così possibile controllare lo spessore dello strato protettivo su tutta la superficie delle lamelle di ossido rameoso. Il livello di precisione raggiunto garantisce la stabilità del semiconduttore preservando al contempo la sua efficienza nella produzione di idrogeno. Il fatto di aver utilizzato materiali ampiamente disponibili e poco costosi e di aver sfruttato tecnologie già disponibili e diffuse, rappresenta secondo i ricercatori un significativo passo in avanti verso la possibilità di una produzione foto-elettrochimica di idrogeno di interesse industriale.

Il livello di precisione raggiunto garantisce la stabilità del semiconduttore preservando al contempo la sua efficienza nella produzione di idrogeno.

13 VANTAGGI Nella fotosintesi naturale, le piante utilizzano la luce solare per fare loro combustibile in forma di grassi, proteine e carboidrati. Gli scienziati stanno cercando di sviluppare un processo simile che converte la luce solare in fonti energetiche che possono essere utilizzate per alimentare automobili e fornire energia elettrica. I due componenti chiave di questo processo sono: raccogliere i raggi solari e dividere le molecole di acqua per recuperare l'idrogeno. L'idrogeno può essere usato per produrre idrogeno liquido, che a sua volta potrebbe essere utilizzato come fonte di energia pulita ed efficiente. La fotosintesi artificiale potrebbe anche produrre celle a combustibile idrogeno, che potrebbero generare elettricità combinando ossigeno e idrogeno in acqua, così come il metanolo.

I due componenti chiave di questo processo sono: raccogliere i raggi solari e dividere le molecole di acqua per recuperare l'idrogeno.

14 CONCLUSIONI La fotosintesi artificiale è una tecnologia e un settore di ricerca di crescente interesse per la comunità scientifica internazionale. Se ulteriormente sviluppata potrà fornire nell immediato futuro importanti applicazioni sia nella produzione di biomasse ma soprattutto sulla produzione di energie alternative a basso costo e a basso impatto. Lo sviluppo di tale tecnologia potrebbe rivoluzionare l attuale modello di consumi energetici e risolvere il problema energetico globale.

Se ulteriormente sviluppata potrà fornire nell immediato futuro importanti applicazioni sia nella produzione di biomasse ma

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