Ogni giorno che passa, il lato oscuro della nostra dipendenza dai combustibili fossili diventa più evidente. Oltre a ridurre le emissioni di anidride carbonica, la società deve trovare alternative sostenibili per alimentare il mondo moderno.

In un nuovo studio, Gary Moore e il suo gruppo di ricerca stanno esplorando diversi metodi di catalisi, un processo chimico che svolge un ruolo essenziale nelle reazioni biologiche, nonché in molte applicazioni industriali.

I catalizzatori sono sostanze che accelerano la velocità delle reazioni chimiche, senza essere consumate durante il processo di reazione. I catalizzatori enzimatici sono così importanti in natura che la vita sarebbe impossibile senza di essi, perché le condizioni all’interno delle cellule viventi non sono favorevoli a molti processi biochimici. Le reazioni chimiche che possono richiedere ore o addirittura giorni per verificarsi possono svolgersi in meno di un secondo con l’aiuto di catalizzatori enzimatici.

I catalizzatori chimici sono stati utilizzati in una varietà di applicazioni umane, dallo sviluppo farmaceutico alle plastiche biodegradabili e ai fertilizzanti sicuri per l’ambiente. Possono anche guidare lo sviluppo di soluzioni energetiche verdi per affrontare la crisi climatica, un’area che il Moore Group ha attivamente perseguito.

Moore è ricercatore presso il Center for Applied Structural Discovery (CASD) Biodesign e professore associato presso la School of Molecular Sciences (SMS) dell’Arizona State University. È stato raggiunto da Daiki Nichori, uno studente laureato in SMS e autore principale del nuovo studio, così come Brian Wadsworth, un ex studente laureato in SMS ora presso Intel.

I risultati dello studio appaiono nell’attuale numero della rivista catalisi chimica.

stimoli ravvicinati

Il nuovo studio si basa sulle indagini sul comportamento degli stimoli di Moore e colleghi dell’Arizona State University e di altri ricercatori nel campo. Il presente articolo di Prospettiva descrive tre forme di catalisi – enzimatica, elettrica e fotoelettrosintesi – delineando i progressi compiuti fino ad oggi ed evidenziando alcune delle restanti sfide affrontate dagli scienziati che cercano una comprensione completa di questi importanti fenomeni.

Sebbene si sia appreso molto studiando la catalisi enzimatica negli organismi viventi, i ricercatori sperano di sviluppare alternative sintetiche in grado di migliorare i progetti della natura. “È difficile imitare gli enzimi biologici per la catalisi”, afferma Nichori. “Gli enzimi biologici hanno complesse strutture proteiche tridimensionali” e operano in condizioni molto diverse rispetto alla maggior parte dei catalizzatori prodotti dall’uomo.

Invece, i ricercatori sperano di produrre una nuova serie di catalizzatori sintetici per guidare le reazioni chimiche in modo molto efficiente. Risultati positivi possono migliorare la produzione industriale di molti prodotti a beneficio della società. Questi includono nuovi tipi di combustibili a emissioni zero o a emissioni zero.

“Copriamo una discreta quantità di spazio materiale in questo articolo, compresa la catalisi chimica convenzionale da parte degli enzimi, nonché la catalisi elettrica mediata da complessi biologici e/o sintetici”, afferma Moore. Lo studio passa quindi alla descrizione dei sistemi ibridi che catturano l’energia della luce radiante e la utilizzano per guidare le reazioni di trasferimento di carica. L’ovvia somiglianza in natura sono i processi di fotosintesi svolti dalle piante.

Ma le tecniche di fotosintesi artificiale semplicemente non possono replicare il progetto della natura. Oltre a una comprensione limitata delle relazioni strutturali e funzionali che regolano le loro prestazioni, le piante fotosintetiche convertono e immagazzinano appena l’1% della luce solare in entrata raccolta dalle loro foglie sotto forma di legami chimici. Queste connessioni alla fine modellano i cibi che mangiamo e, su scale temporali geologiche più lunghe, i combustibili fossili a base di carbonio da cui dipendono le nostre società moderne. Questo è tutto ciò di cui una pianta sana ha bisogno per svilupparsi e riprodursi, ma non è sufficiente per le applicazioni umane.

ricerca illuminante

La progettazione dei nuovi dispositivi fotovoltaici prevede l’utilizzo di una tecnologia di raccolta della luce, simile alle celle fotovoltaiche esistenti, e la sua unione a un sottile strato di materiale catalitico. In questo schema, i portatori di carica vengono trasferiti dalla superficie del semiconduttore ai siti catalitici. Una volta che il catalizzatore accumula abbastanza portatori di carica, entra in uno stato chiamato stato attivato, consentendo al catalizzatore di procedere. Il processo può essere utilizzato per produrre idrogeno dall’acqua o per produrre forme ridotte di anidride carbonica₂Compreso metano, monossido di carbonio, combustibili liquidi e altri utili prodotti industriali.

“Nel caso delle celle solari più convenzionali, il tuo obiettivo finale è convertire la luce solare in energia elettrica”, afferma Moore. “I sistemi che sviluppiamo utilizzano l’energia solare per alimentare in modo aggressivo le laboriose trasformazioni chimiche”. Invece di produrre elettricità, la luce solare in arrivo catalizza reazioni chimiche, che alla fine portano alla generazione di carburante.

“Qui, il carburante che descriviamo non è correlato alle fonti di carbonio fossile. Possiamo sviluppare una chimica priva di carbonio, inclusa la conversione dell’acqua in gas idrogeno, che può fungere da combustibile, oppure possiamo usare l’anidride carbonica.₂ dall’atmosfera per generare combustibili contenenti carbonio. “In quest’ultimo esempio, sebbene il carburante risultante sia a base di carbonio, non ci sono nuove fonti di anidride carbonica₂ nell’atmosfera. “Questo processo è una forma di riciclaggio del carbonio.

Moore si riferisce a tecnologie come l’installazione fotovoltaica. Sebbene sia molto promettente per la produzione di energia pulita e la generazione più pulita di prodotti industriali utili, la comprensione della chimica sia a livello teorico che pratico è impegnativa. I fotoni della luce e dei portatori di carica utilizzati per attivare lo stimolo sono entità quantistiche, con proprietà particolarmente sottili che i ricercatori stanno ancora lottando per modellare con precisione.

La produzione di tecnologie efficienti per affrontare le sfide energetiche future richiederà una comprensione matematica più completa delle dinamiche di raccolta della luce, nonché dei processi catalitici e della cinetica di carica. Il presente studio fornisce un primo passo in questa direzione.

Accanto a questi progressi, i ricercatori di scienza dei materiali dovranno progettare materiali più in grado di sfruttare questi processi, realizzati con materiali durevoli e convenienti.

Nuovi percorsi attraverso il labirinto energetico

Oltre agli ostacoli puramente scientifici che devono essere affrontati, Moore afferma che i cambiamenti politici saranno fattori determinanti se le tecnologie energetiche più verdi devono avere successo. “È difficile competere con la tecnologia attuale che implica semplicemente scavare un buco nel terreno per estrarre una fonte di energia esistente”, afferma Moore. Sarà vitale un pubblico scientificamente istruito in grado di fare scelte di voto informate che influenzano il modo in cui la società investe nelle infrastrutture future. “Vogliamo scegliere di investire in tecnologie che riducano l’impatto del cambiamento climatico o continuiamo a beneficiare di infrastrutture energetiche con componenti e processi che hanno più di cento anni?”

Moore spera che i progressi nelle tecnologie enzimatiche, catalitica fotovoltaica e sintesi fotovoltaica giocheranno un ruolo importante in un futuro energetico più sostenibile e meno distruttivo.