Scoperta della Fotosintesi Artificiale per Chimica Pulita

Un team di ricercatori dell’Università di Cambridge e di altre istituzioni leader ha appena presentato una foglia artificiale. Questo design unico può replicare la fotosintesi, aprendo la porta a diversi casi d’uso nei principali settori industriali. Ecco come le foglie artificiali potrebbero portare a un’industria chimica più verde e molto altro.

Industria Chimica

I produttori chimici svolgono un ruolo cruciale nell’economia odierna, fornendo gli ingredienti chiave per tutto, dai fertilizzanti utilizzati per coltivare il cibo ai medicinali, alle materie plastiche e persino ai prodotti di bellezza. Secondo recenti rapporti, l’industria chimica globale è un mercato enorme e complesso valutato a oltre $6,324T nel 2025. Questo valore ha mostrato un tasso di crescita del 2,3% rispetto all’anno precedente. Naturalmente, tutta questa crescita e produzione ha un costo per l’ambiente.

Principale Inquinatore

L’industria chimica consuma circa il 10% di tutti i combustibili fossili ed è responsabile del 5-6% delle emissioni globali di CO₂. Inoltre, il settore è responsabile del 20% di tutto il consumo di acqua dolce. Rapporti mostrano che oltre 100M sostanze chimiche sono state create artificialmente a livello globale come risultato diretto della produzione chimica.
Sostanze chimiche nocive come i contaminanti organici persistenti (POP), le sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS) e le sostanze chimiche che alterano il sistema endocrino (EDC) causano danni diretti all’ambiente e ai suoi abitanti. Peggio ancora, rimangono nell’ambiente per decenni e possono persino combinarsi con altre sostanze chimiche per creare composti ancora più dannosi.

Catalizzatore Sintetico

Per anni, gli ingegneri hanno cercato modi per affrontare questo complesso problema. Di conseguenza, hanno iniziato a smontare l’industria e a valutare ogni possibile via per defossilizzarla. Una strategia si concentra sull’uso di catalizzatori sintetici o semiconduttori inorganici.
I catalizzatori sintetici sono sostanze chimiche create dall’uomo, progettate specificamente per accelerare reazioni chimiche complesse senza interferire con i loro risultati. Oggi, queste sostanze sono utilizzate in tutto, dalla craccatura del petrolio alla produzione di materie plastiche. Perciò, c’è una forte spinta a sostituire tutti i componenti chimici non innocui come i tamponi di Good, i mediatori elettronici e i reagenti sacrificali.

Soluzioni Attuali

La fotosintesi semi-artificiale è un approccio che continua a guadagnare terreno nell’industria. Questo metodo di accelerazione delle reazioni chimiche si basa su bioibridi fotoelettrochimici per svolgere lo stesso compito. Utilizzando enzimi bioingegnerizzati, gli ingegneri sono riusciti a consentire conversioni chimiche complesse con alta selettività ed efficienza.
Questa strategia ha visto diversi miglioramenti, tra cui la capacità di produrre semiconduttori per la cattura della luce e biocatalizzatori in un unico dispositivo compatto. Con questo approccio, gli ingegneri possono ottimizzare determinati componenti per potenziare capacità specifiche. Tuttavia, rimangono ancora numerosi ostacoli tecnologici che hanno limitato l’adozione nelle applicazioni fotoelettrochimiche (PEC).

Problemi Riscontrati con questi Approcci

Un problema principale dei dispositivi di fotosintesi semi-artificiale odierni è la mancanza di stabilità. Questa instabilità è dovuta al rapido cambiamento della loro composizione chimica, il che richiede un costante apporto di composti chimici specifici, inclusi tamponi a cinetica rapida, che aiutano a compensare le differenze di pH. I mediatori di diffusione sono un altro esempio, poiché trasferiscono carica dagli assorbitori di luce ai biocatalizzatori.
I catalizzatori industriali sono sia costosi che tossici. Questi fattori complicano il loro utilizzo, generando costi aggiuntivi e precauzioni. Inoltre, queste sostanze non sono innocue, il che significa che contribuiscono all’ossidazione dei metalli. Quando ciò avviene, può causare contaminazione, inibizione del catalizzatore o avvelenamento dell’intero processo.

Studio sulle Foglie Artificiali

Lo studio¹, Semi-artificial leaf, interfacing organic semiconductors and enzymes for solar chemical synthesis, pubblicato sulla rivista scientifica Joule, introduce un nuovo design fotovoltaico organico (OPV) in grado di eseguire fotosintesi semi-artificiale diretta senza utilizzare catalizzatori nocivi.

Fonte – Joule