Produrre carburante dalla CO2 utilizzando la luce solare

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I combustibili prodotti con la luce solare aiuteranno a mitigare il cambiamento climatico dovuto alla CO2 sviluppando un ciclo energetico più sostenibile.
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La produzione di carburante dall’anidride carbonica (CO2) può essere alimentata dalla luce solare, utilizzando “fotocatalizzatori” che sono solo uno strato di atomi legati di spessore. I ricercatori del campus della Monash University in Malesia esaminano lo stato della ricerca con l’obiettivo di realizzare il potenziale di questi fotocatalizzatori nella rivista Materials Today Sustainability. Le possibilità includono l’utilizzo della CO2 per produrre i combustibili metanolo, metano e acido formico.

Le straordinarie proprietà dei materiali 2D

Lo studio dei cosiddetti materiali “2D” risale del grafene, un materiale composto da un singolo strato di atomi di carbonio legati in uno schema esagonale. Questa forma 2D di carbonio ha essa stessa attirato un grande interesse nello sfruttare le sue numerose proprietà chimiche e fisiche uniche. Le possibilità vengono ora notevolmente ampliate, tuttavia, studiando una vasta gamma di materiali ispirati al grafene in cui altri atomi sono legati in modo simile in strutture 2D.

Alcune delle modifiche più promettenti per la costruzione di fotocatalizzatori per convertire la CO2 in combustibili sono note come dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) e nitruri di carbonio grafitici (g-C3N4). I TMD sono materiali semiconduttori con uno strato di atomi metallici di transizione tenuti tra due strati di atomi legati dagli elementi del gruppo calcogeno. I materiali semiconduttori a base di g-C3N4 hanno atomi di azoto al posto di molti degli atomi di carbonio del grafene, creando una disposizione esagonale in qualche modo simile ma con spazi regolarmente distanziati.

“L’utilizzo di nanomateriali a strati 2D sta rapidamente diventando uno dei temi di ricerca più caldi in tutto il mondo. Infatti l’interesse per il loro utilizzo nella fotocatalisi è alle stelle”,

afferma il coautore Siang-Piao Chai.

Chai spiega che i nanomateriali 2D trattati nella review offrono vantaggi eccezionali rispetto ai fotocatalizzatori convenzionali. Le loro proprietà semiconduttrici sono più prontamente regolate dal design. Infatti essi offrono un’assorbenza ed un’efficienza della luce superiori, in parte a causa di rapporti tra area superficiale e volume molto elevati. Ma è necessario più lavoro di ricerca e sviluppo per convertire il potenziale in realtà commerciale.

Innumerevoli possibilità di ingegnerizzazione del grafene

Gli sforzi di ricerca in corso includono l’esplorazione degli effetti di un’ampia gamma di modifiche strutturali. Sono allo studio fattori come l’ingegnerizzazione della presenza di difetti nelle strutture cristalline dei materiali e il “drogaggio” con piccole quantità di elementi diversi.

Il lavoro trattato in questa recensione è anche solo una parte di un più ampio sforzo di ricerca globale per trasformare la CO2 atmosferica da un problema ambientale in una risorsa. Gli stessi autori della revisione sono attivamente coinvolti nella ricerca per sviluppare ed espandere le possibilità.

L’autore principale Cheng-May Fung, afferma:

“Sto studiando la progettazione e lo sviluppo di fotocatalizzatori a base di fosforo per convertire la CO2 in combustibili idrocarburici“.

Spiega che questo percorso privo di metalli, utilizzando l’abbondante elemento fosforo, potrebbe rivelarsi più conveniente e sostenibile di altri catalizzatori più esotici.

“Abbiamo solo 50 anni per cercare alternative ai combustibili fossili prima che le attuali riserve di carburante si esauriscano“,

afferma Chai. Trova particolarmente allettante il fatto che i fotocatalizzatori possano “prendere due piccioni con una fava” producendo combustibili sostenibili e allo stesso tempo combattendo il cambiamento climatico.

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Molecola di metano
Rappresentazione 3D di uno strato di grafene
Disposizione dell'impianto di produzione di energia solare
Esempio di fotocatalizzatore classico