Fotosintesi artificiale - Artificial photosynthesis

La fotosintesi artificiale è un processo chimico che biomima il processo naturale della fotosintesi per convertire la luce solare , l' acqua e l' anidride carbonica in carboidrati e ossigeno . Il termine fotosintesi artificiale è comunemente usato per riferirsi a qualsiasi schema per catturare e immagazzinare l'energia dalla luce solare nei legami chimici di un combustibile (un combustibile solare ). La scissione fotocatalitica dell'acqua converte l'acqua in idrogeno e ossigeno ed è un importante argomento di ricerca sulla fotosintesi artificiale. La riduzione dell'anidride carbonica guidata dalla luce è un altro processo studiato che replica la fissazione naturale del carbonio .

La ricerca su questo argomento include la progettazione e l'assemblaggio di dispositivi per la produzione diretta di combustibili solari, la fotoelettrochimica e la sua applicazione nelle celle a combustibile e l'ingegneria di enzimi e microrganismi fotoautotrofi per la produzione di biocarburanti microbici e bioidrogeno dalla luce solare.

Panoramica

La reazione fotosintetica può essere suddivisa in due semireazioni di ossidazione e riduzione , entrambe essenziali per produrre combustibile . Nella fotosintesi delle piante, le molecole d'acqua vengono foto-ossidate per rilasciare ossigeno e protoni. La seconda fase della fotosintesi delle piante (nota anche come ciclo di Calvin-Benson ) è una reazione indipendente dalla luce che converte l'anidride carbonica in glucosio (combustibile). I ricercatori della fotosintesi artificiale stanno sviluppando fotocatalizzatori in grado di eseguire entrambe queste reazioni. Inoltre, i protoni risultanti dalla scissione dell'acqua possono essere utilizzati per la produzione di idrogeno. Questi catalizzatori devono essere in grado di reagire rapidamente e assorbire una grande percentuale dei fotoni solari incidenti .

Fotosintesi naturale (a sinistra) contro fotosintesi artificiale (a destra)

Considerando che il fotovoltaico può fornire energia direttamente dalla luce solare, l'inefficienza della produzione di combustibile da elettricità fotovoltaica (processo indiretto) e il fatto che la luce solare non sia costante durante il giorno pone un limite al suo utilizzo. Un modo di utilizzare la fotosintesi naturale è per la produzione di un biocarburante , che è un processo indiretto che soffre di una bassa efficienza di conversione energetica (dovuta alla bassa efficienza della fotosintesi nel convertire la luce solare in biomassa), il costo della raccolta e del trasporto del carburante, e conflitti dovuti alla crescente necessità di massa di terra per la produzione di cibo. Lo scopo della fotosintesi artificiale è quello di produrre un combustibile dalla luce solare che può essere immagazzinato convenientemente e utilizzato quando la luce solare non è disponibile, utilizzando processi diretti, cioè per produrre un combustibile solare . Con lo sviluppo di catalizzatori in grado di riprodurre la maggior parte della fotosintesi, l'acqua e la luce solare sarebbero in definitiva le uniche fonti necessarie per la produzione di energia pulita. L'unico sottoprodotto sarebbe l'ossigeno e la produzione di un combustibile solare ha il potenziale per essere più economica della benzina.

Un processo per la creazione di un approvvigionamento energetico pulito e conveniente è lo sviluppo della scissione fotocatalitica dell'acqua sotto la luce solare. Questo metodo di produzione sostenibile dell'idrogeno è un obiettivo importante per lo sviluppo di sistemi energetici alternativi . Si prevede anche che sia uno dei modi più, se non il più efficiente, per ottenere idrogeno dall'acqua. La conversione dell'energia solare in idrogeno tramite un processo di scissione dell'acqua assistito da catalizzatori fotosemiconduttori è una delle tecnologie più promettenti in fase di sviluppo. Questo processo ha il potenziale per generare grandi quantità di idrogeno in modo ecologicamente corretto. La conversione dell'energia solare in un combustibile pulito (H 2 ) in condizioni ambientali è una delle maggiori sfide che gli scienziati devono affrontare nel ventunesimo secolo.

Due metodi sono generalmente riconosciuti per la costruzione di celle a combustibile solare per la produzione di idrogeno:

  • Un sistema omogeneo è tale che i catalizzatori non sono compartimentati , cioè i componenti sono presenti nello stesso compartimento. Ciò significa che l'idrogeno e l'ossigeno vengono prodotti nella stessa posizione. Questo può essere uno svantaggio, poiché compongono una miscela esplosiva, che richiede la separazione del prodotto gassoso. Inoltre, tutti i componenti devono essere attivi approssimativamente nelle stesse condizioni (ad es. pH ).
  • Un sistema eterogeneo ha due elettrodi separati , un anodo e un catodo, che rendono possibile la separazione della produzione di ossigeno e idrogeno. Inoltre, componenti diversi non devono necessariamente funzionare nelle stesse condizioni. Tuttavia, la maggiore complessità di questi sistemi li rende più difficili da sviluppare e più costosi.

Un'altra area di ricerca nell'ambito della fotosintesi artificiale è la selezione e la manipolazione di microrganismi fotosintetici, ovvero microalghe verdi e cianobatteri , per la produzione di combustibili solari. Molti ceppi sono in grado di produrre idrogeno in modo naturale e gli scienziati stanno lavorando per migliorarli. I biocarburanti di alghe come butanolo e metanolo sono prodotti sia su scala di laboratorio che commerciale. Questo metodo ha beneficiato dello sviluppo della biologia sintetica , che viene anche esplorato dal J. Craig Venter Institute per produrre un organismo sintetico in grado di produrre biocarburanti. Nel 2017 è stato sviluppato un processo efficiente per produrre acido acetico dall'anidride carbonica utilizzando "batteri cyborg".

Storia

Fotosintesi artificiale è stato anticipato dal chimico italiano Giacomo Ciamician durante 1912. In una conferenza che è stato poi pubblicato nel Scienza ha proposto un interruttore dall'uso di combustibili fossili per l'energia radiante fornita dal sole e catturato dai dispositivi tecnici fotochimica. In questo interruttore vide la possibilità di ridurre la differenza tra il ricco Nord Europa e Sud povero e azzardò l'ipotesi che questo passaggio da carbone a energia solare sarebbe "non essere dannoso per il progresso e alla felicità umana."

Alla fine degli anni '60, Akira Fujishima scoprì le proprietà fotocatalitiche del biossido di titanio , il cosiddetto effetto Honda-Fujishima, che potrebbe essere utilizzato per l' idrolisi .

La scissione dell'acqua a luce visibile con un dispositivo a semiconduttore multigiunzione in un unico pezzo (rispetto alla luce UV con semiconduttori al biossido di titanio) è stata dimostrata e brevettata per la prima volta da William Ayers presso Energy Conversion Devices nel 1983. Questo gruppo ha dimostrato la fotolisi dell'acqua in idrogeno e ossigeno, ora denominata una "foglia artificiale" con un foglio multigiunzione di silicio amorfo a film sottile a basso costo immerso direttamente in acqua. L'idrogeno si è evoluto sulla superficie anteriore di silicio amorfo decorato con vari catalizzatori mentre l'ossigeno si è evoluto dal substrato metallico del lato posteriore che ha anche eliminato il rischio di sviluppo misto di gas idrogeno/ossigeno. Una membrana polimerica sopra il dispositivo immerso ha fornito un percorso per il trasporto di protoni. La maggiore fototensione disponibile dal dispositivo a film sottile multigiunzione con luce visibile è stato un grande progresso rispetto ai precedenti tentativi di fotolisi con UV o altri fotoelettrodi a semiconduttore a giunzione singola. Il brevetto del gruppo elenca anche diverse altre composizioni multigiunzione di semiconduttori oltre al silicio amorfo.

Il Consorzio svedese per la fotosintesi artificiale, il primo del suo genere, è stato istituito nel 1994 come collaborazione tra gruppi di tre diverse università, Lund , Uppsala e Stoccolma , attualmente attive intorno a Lund e ai laboratori Ångström di Uppsala. Il consorzio è stato creato con un approccio multidisciplinare per concentrarsi sull'apprendimento dalla fotosintesi naturale e sull'applicazione di questa conoscenza nei sistemi biomimetici.

La ricerca sulla fotosintesi artificiale sta vivendo un boom all'inizio del 21° secolo. Durante il 2000, i ricercatori dell'Organizzazione per la ricerca scientifica e industriale del Commonwealth (CSIRO) hanno pubblicizzato il loro intento di enfatizzare la cattura dell'anidride carbonica e la sua conversione in idrocarburi. Nel 2003, il Brookhaven National Laboratory ha annunciato la scoperta di un'importante parte intermedia della riduzione della CO 2 in CO (la più semplice reazione di riduzione dell'anidride carbonica), che potrebbe portare a catalizzatori migliori.

Uno degli svantaggi dei sistemi artificiali per i catalizzatori per la scissione dell'acqua è la loro dipendenza generale da elementi scarsi e costosi, come il rutenio o il renio. Nel 2008, con il finanziamento dell'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica degli Stati Uniti , il chimico del MIT e direttore del progetto di rivoluzione solare Daniel G. Nocera e il borsista post-dottorato Matthew Kanan hanno tentato di aggirare questo problema utilizzando un catalizzatore contenente il più economico e più abbondante elementi cobalto e fosfato. Il catalizzatore è stato in grado di dividere l'acqua in ossigeno e protoni utilizzando la luce solare e potrebbe essere potenzialmente accoppiato a un catalizzatore che produce gas idrogeno come il platino. Inoltre, mentre il catalizzatore si rompe durante la catalisi, potrebbe autoripararsi. Questo progetto sperimentale del catalizzatore è stato considerato un importante miglioramento da molti ricercatori.

Mentre la CO è il principale prodotto di riduzione della CO 2 , di solito sono desiderati composti di carbonio più complessi. Durante il 2008, Andrew B. Bocarsly ha riportato la conversione diretta di anidride carbonica e acqua in metanolo utilizzando l'energia solare in una cella fotochimica molto efficiente.

Mentre Nocera e i suoi collaboratori hanno ottenuto la scissione dell'acqua in ossigeno e protoni, è auspicabile un processo guidato dalla luce per produrre idrogeno. Nel corso del 2009, l'Istituto Leibniz per la catalisi ha segnalato complessi ferrocarbonilici poco costosi in grado di fare proprio questo. Nello stesso anno, i ricercatori dell'Università dell'East Anglia hanno utilizzato anche composti ferrocarbonilici per ottenere una produzione fotoelettrochimica di idrogeno con un'efficienza del 60%, questa volta utilizzando un elettrodo d'oro ricoperto da strati di fosfuro di indio a cui erano collegati i complessi di ferro. Entrambi questi processi hanno utilizzato un approccio molecolare, in cui le nanoparticelle discrete sono responsabili della catalisi.

Nel corso del 2009 F. del Valle e K. Domen hanno mostrato l'effetto del trattamento termico in atmosfera chiusa con Cd
1- xZn
XS fotocatalizzatori. Cd
1- xZn
XLa soluzione solida S riporta un'elevata attività nella produzione di idrogeno dalla scissione dell'acqua sotto irraggiamento solare. Un approccio misto eterogeneo/molecolare dei ricercatori dell'Università della California, Santa Cruz , durante il 2010, utilizzando sia nanoparticelle e nanofili di biossido di titanio sensibilizzate con punti quantici drogati con azoto e seleniuro di cadmio , ha prodotto anche idrogeno fotoprodotto.

La fotosintesi artificiale è rimasta un campo accademico per molti anni. Tuttavia, all'inizio del 2009, Mitsubishi Chemical Holdings stava sviluppando la propria ricerca sulla fotosintesi artificiale utilizzando la luce solare, l'acqua e l'anidride carbonica per "creare gli elementi costitutivi del carbonio da cui è possibile sintetizzare resine, plastiche e fibre". Ciò è stato confermato con l'istituzione dell'Istituto KAITEKI nello stesso anno, con la riduzione dell'anidride carbonica attraverso la fotosintesi artificiale come uno degli obiettivi principali.

Nel corso del 2010, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha istituito, come uno dei suoi Energy Innovation Hub , il Centro comune per la fotosintesi artificiale . La missione di JCAP è trovare un metodo conveniente per produrre combustibili utilizzando solo luce solare, acqua e anidride carbonica come input. JCAP è gestito da un team del California Institute of Technology (Caltech), diretto dal professor Nathan Lewis e riunisce più di 120 scienziati e ingegneri del Caltech e del suo partner principale, il Lawrence Berkeley National Laboratory . JCAP si avvale anche dell'esperienza e delle capacità di partner chiave della Stanford University , dell'Università della California a Berkeley , della UCSB , dell'Università della California, Irvine e dell'Università della California a San Diego e dello Stanford Linear Accelerator . Inoltre, JCAP funge da hub centrale per altri team di ricerca sui combustibili solari negli Stati Uniti, tra cui 20 DOE Energy Frontier Research Center. Il programma ha un budget di 122 milioni di dollari in cinque anni, soggetto allo stanziamento del Congresso

Inoltre nel corso del 2010, un team diretto dal professor David Wendell presso l' Università di Cincinnati dimostrato con successo la fotosintesi in una costruzione artificiale che consiste di enzimi sospesi in un involucro di schiuma.

Nel 2011, Daniel Nocera e il suo team di ricerca hanno annunciato la creazione della prima foglia artificiale pratica. In un discorso al 241° Convegno Nazionale dell'American Chemical Society , Nocera ha descritto una cella solare avanzata delle dimensioni di una carta da poker in grado di scindere l'acqua in ossigeno e idrogeno, circa dieci volte più efficiente della fotosintesi naturale. La cella è per lo più costituita da materiali poco costosi che sono ampiamente disponibili, funziona in condizioni semplici e mostra una maggiore stabilità rispetto ai catalizzatori precedenti: in studi di laboratorio, gli autori hanno dimostrato che un prototipo di foglia artificiale potrebbe funzionare ininterrottamente per almeno quarantacinque ore senza un calo di attività. Nel maggio 2012, Sun Catalytix, la startup basata sulla ricerca di Nocera, ha dichiarato che non ingrandirà il prototipo poiché il dispositivo offre pochi risparmi rispetto ad altri modi per produrre idrogeno dalla luce solare. (Sun Catalytix ha finito per allontanarsi dal carburante solare per sviluppare batterie per immagazzinare energia per la rete elettrica, e Lockheed ha acquistato l'azienda per una cifra non divulgata nel 2014) I principali esperti del settore hanno sostenuto una proposta per un progetto globale sull'artificiale La fotosintesi come soluzione combinata per la sicurezza energetica e il cambiamento climatico. Conferenze su questo tema si sono tenute a Lord Howe Island nel 2011, a Chicheley Hall nel Regno Unito nel 2014 e a Canberra e Lord Howe Island nel 2016.

Ricerca attuale

In termini energetici, la fotosintesi naturale può essere suddivisa in tre fasi:

Un gruppo triade, con un fotosensibilizzatore (P) collegato in tandem a un catalizzatore di ossidazione dell'acqua (D) e un catalizzatore a sviluppo di idrogeno (A). Gli elettroni fluiscono da D ad A quando avviene la catalisi.

Utilizzando approcci biomimetici , la fotosintesi artificiale cerca di costruire sistemi che eseguono lo stesso tipo di processi. Idealmente, un gruppo di triade potrebbe ossidare l'acqua con un catalizzatore, ridurre i protoni con un altro e avere una molecola fotosensibilizzante per alimentare l'intero sistema. Uno dei progetti più semplici è quello in cui il fotosensibilizzatore è collegato in tandem tra un catalizzatore di ossidazione dell'acqua e un catalizzatore a sviluppo di idrogeno:

  • Il fotosensibilizzatore trasferisce elettroni al catalizzatore a idrogeno quando viene colpito dalla luce, ossidandosi nel processo.
  • Questo spinge il catalizzatore per la scissione dell'acqua a donare elettroni al fotosensibilizzatore. In un gruppo triade, un tale catalizzatore è spesso indicato come donatore. Il donatore ossidato è in grado di eseguire l'ossidazione dell'acqua.

Lo stato della triade con un catalizzatore ossidato su un'estremità e il secondo ridotto sull'altra estremità della triade è indicato come separazione di carica ed è una forza trainante per l'ulteriore trasferimento di elettroni e, di conseguenza, catalisi. I diversi componenti possono essere assemblati in modi diversi, come complessi supramolecolari , cellule compartimentate o molecole legate in modo lineare e covalente .

La ricerca per trovare catalizzatori in grado di convertire acqua, anidride carbonica e luce solare in carboidrati o idrogeno è un campo attivo e attuale. Studiando il complesso naturale in evoluzione dell'ossigeno (OEC), i ricercatori hanno sviluppato catalizzatori come il "dimero blu" per imitarne la funzione. Sono in fase di sviluppo celle fotoelettrochimiche che riducono l'anidride carbonica in monossido di carbonio (CO), acido formico (HCOOH) e metanolo (CH 3 OH). Tuttavia, questi catalizzatori sono ancora molto inefficienti.

Catalizzatori di idrogeno

L'idrogeno è il combustibile solare più semplice da sintetizzare, poiché comporta solo il trasferimento di due elettroni a due protoni. Deve, tuttavia, essere fatto per gradi, con formazione di un anione idruro intermedio :

2 e − + 2 H + ⇌ H + + H − ⇌ H 2

I catalizzatori di conversione da protone a idrogeno presenti in natura sono idrogenasi . Questi sono enzimi che possono ridurre i protoni a idrogeno molecolare o ossidare l'idrogeno a protoni ed elettroni. Gli studi spettroscopici e cristallografici che abbracciano diversi decenni hanno portato a una buona comprensione sia della struttura che del meccanismo della catalisi dell'idrogenasi. Utilizzando queste informazioni, sono state sintetizzate diverse molecole che imitano la struttura del sito attivo delle idrogenasi di nichel-ferro e ferro-ferro. Altri catalizzatori non sono imitazioni strutturali dell'idrogenasi ma piuttosto funzionali. I catalizzatori sintetizzati includono modelli strutturali di cluster H, un fotocatalizzatore al dirodio e catalizzatori al cobalto .

Catalizzatori ossidanti all'acqua

L'ossidazione dell'acqua è una reazione chimica più complessa della riduzione del protone. In natura, il complesso in evoluzione dell'ossigeno esegue questa reazione accumulando equivalenti riducenti (elettroni) in un cluster manganese-calcio all'interno del fotosistema II (PS II), quindi consegnandoli alle molecole d'acqua, con la conseguente produzione di ossigeno molecolare e protoni:

2 H 2 O → O 2 + 4 H + + 4e −

Senza un catalizzatore (naturale o artificiale), questa reazione è molto endotermica, richiedendo temperature elevate (almeno 2500 K).

L'esatta struttura del complesso in evoluzione dell'ossigeno è stato difficile da determinare sperimentalmente. A partire dal 2011, il modello più dettagliato proveniva da una struttura cristallina con risoluzione di 1,9 del fotosistema II. Il complesso è un cluster contenente quattro ioni manganese e uno calcio , ma la posizione esatta e il meccanismo di ossidazione dell'acqua all'interno del cluster sono sconosciuti. Tuttavia, sono stati sintetizzati complessi manganese e calcio-manganese bio-ispirati, come [Mn 4 O 4 ] cluster di tipo cubano , alcuni con attività catalitica.

Alcuni complessi di rutenio , come il "dimero blu" dinucleare µ-oxo-bridged (il primo del suo genere ad essere sintetizzato), sono in grado di ossidare l'acqua in base alla luce, grazie alla possibilità di formare stati di valenza elevata . In questo caso, il complesso di rutenio funge sia da fotosensibilizzatore che da catalizzatore. Questi complessi e altri catalizzatori molecolari attraggono ancora ricercatori nel campo, avendo diversi vantaggi come struttura chiara, sito attivo e meccanismo di facile studio. Una delle principali sfide da superare è la loro stabilità a breve termine e la loro effettiva eterogenizzazione per applicazioni in dispositivi di fotosintesi artificiale.

Molti ossidi metallici sono stati trovati per avere attività catalitica ossidazione dell'acqua, compresi rutenio (IV) ossido (RuO 2 ), iridio (IV) ossido (IRO 2 ), ossidi di cobalto (compresi nichel - drogato Co 3 O 4 ), ossido di manganese ( compreso MnO 2 stratificato (birnessite), Mn 2 O 3 ), e una miscela di Mn 2 O 3 con CaMn 2 O 4 . Gli ossidi sono più facili da ottenere rispetto ai catalizzatori molecolari, specialmente quelli da metalli di transizione relativamente abbondanti (cobalto e manganese), ma soffrono di una bassa frequenza di turnover e di proprietà di lento trasferimento degli elettroni , e il loro meccanismo d'azione è difficile da decifrare e, quindi, da regolare.

Recentemente è stato dimostrato che i materiali a base di Metal-Organic Framework (MOF) sono un candidato molto promettente per l'ossidazione dell'acqua con metalli di transizione di prima fila. Si prevede che la stabilità e la sintonizzabilità di questo sistema siano estremamente vantaggiose per lo sviluppo futuro.

Fotosensibilizzanti

Struttura di [Ru(bipy) 3 ] 2+ , un fotosensibilizzatore ampiamente utilizzato.

La natura utilizza pigmenti , principalmente clorofille , per assorbire un'ampia parte dello spettro visibile. I sistemi artificiali possono utilizzare un tipo di pigmento con un'ampia gamma di assorbimento o combinare più pigmenti per lo stesso scopo.

I complessi polipiridinici di rutenio , in particolare la tris(bipiridina)rutenio(II) e i suoi derivati, sono stati ampiamente utilizzati nella fotoproduzione di idrogeno a causa del loro efficiente assorbimento della luce visibile e del conseguente stato eccitato di trasferimento di carica metallo-ligando di lunga durata , che rende il complessi agenti riducenti forti. Altri complessi contenenti metalli nobili utilizzati includono quelli con platino , rodio e iridio .

Anche i complessi organici privi di metalli sono stati impiegati con successo come fotosensibilizzanti. Gli esempi includono eosina Y e rosa bengala . Anelli di pirrolo come le porfirine sono stati utilizzati anche nel rivestimento di nanomateriali o semiconduttori per catalisi sia omogenea che eterogenea.

Nell'ambito degli attuali sforzi di ricerca, vengono studiati sistemi di antenne fotoniche artificiali per determinare modi efficienti e sostenibili per raccogliere la luce per la fotosintesi artificiale. Gion Calzaferri (2009) descrive una di queste antenne che utilizza la zeolite L come ospite per i coloranti organici, per imitare i sistemi di raccolta della luce delle piante. L'antenna è fabbricata inserendo molecole di colorante nei canali della zeolite L. Il processo di inserimento, che avviene sotto vuoto e ad alta temperatura, è reso possibile dal movimento vibrazionale cooperativo della struttura di zeolite e delle molecole di colorante. Il materiale risultante può essere interfacciato a un dispositivo esterno tramite un rubinetto intermedio.

Catalizzatori per la riduzione dell'anidride carbonica

In natura, la fissazione del carbonio viene effettuata dalle piante verdi utilizzando l'enzima RuBisCO come parte del ciclo di Calvin . RuBisCO è un catalizzatore piuttosto lento rispetto alla stragrande maggioranza degli altri enzimi, incorporando solo poche molecole di anidride carbonica in ribulosio-1,5-bisfosfato al minuto, ma lo fa a pressione atmosferica e in condizioni biologiche miti. Il prodotto risultante viene ulteriormente ridotto ed eventualmente utilizzato nella sintesi del glucosio , che a sua volta è un precursore di carboidrati più complessi , come cellulosa e amido . Il processo consuma energia sotto forma di ATP e NADPH .

La riduzione artificiale della CO 2 per la produzione di carburante mira principalmente a produrre composti di carbonio ridotti dalla CO 2 atmosferica . Alcuni complessi polifosfinici di metalli di transizione sono stati sviluppati per questo scopo; tuttavia, di solito richiedono una precedente concentrazione di CO 2 prima dell'uso e non sono stati ancora sviluppati vettori (molecole che fisserebbero la CO 2 ) che siano sia stabili in condizioni aerobiche che in grado di concentrare CO 2 a concentrazioni atmosferiche. Il prodotto più semplice della riduzione della CO 2 è il monossido di carbonio (CO), ma per lo sviluppo del carburante è necessaria un'ulteriore riduzione e un passaggio chiave che necessita di ulteriore sviluppo è il trasferimento di anioni idruro a CO.

Produzione fotobiologica di combustibili

Alcuni microrganismi fotoautotrofi possono, in determinate condizioni, produrre idrogeno. I microrganismi azotofissatori , come i cianobatteri filamentosi , possiedono l'enzima nitrogenasi , responsabile della conversione dell'N 2 atmosferico in ammoniaca ; l'idrogeno molecolare è un sottoprodotto di questa reazione e molte volte non viene rilasciato dal microrganismo, ma piuttosto assorbito da un'idrogenasi che ossida l'idrogeno (assorbimento). Un modo per costringere questi organismi a produrre idrogeno è quindi quello di annientare l'attività dell'idrogenasi di assorbimento. Ciò è stato fatto su un ceppo di Nostoc punctiforme : uno dei geni strutturali dell'idrogenasi di captazione di NiFe è stato inattivato dalla mutagenesi inserzionale e il ceppo mutante ha mostrato l'evoluzione dell'idrogeno sotto illuminazione.

Molti di questi fotoautotrofi hanno anche idrogenasi bidirezionali, che possono produrre idrogeno in determinate condizioni. Tuttavia, altre vie metaboliche che richiedono energia possono competere con gli elettroni necessari per la riduzione dei protoni, diminuendo l'efficienza del processo complessivo; inoltre, queste idrogenasi sono molto sensibili all'ossigeno.

Diversi biocarburanti a base di carbonio sono stati prodotti anche utilizzando cianobatteri, come l'1-butanolo.

Si prevede che le tecniche di biologia sintetica saranno utili per questo argomento. L'ingegneria microbiologica ed enzimatica ha il potenziale per migliorare l'efficienza e la robustezza degli enzimi, oltre a costruire nuove vie metaboliche che producono biocarburanti nei fotoautotrofi che in precedenza ne erano privi, o migliorare quelle esistenti. Un altro argomento in fase di sviluppo è l'ottimizzazione dei fotobioreattori per applicazioni commerciali.

Tecniche di ricerca impiegate

La ricerca sulla fotosintesi artificiale è necessariamente un argomento multidisciplinare, che richiede una moltitudine di competenze diverse. Alcune tecniche impiegate nella produzione e nello studio di catalizzatori e celle solari includono:

Vantaggi, svantaggi ed efficienza

I vantaggi della produzione di combustibile solare attraverso la fotosintesi artificiale includono:

  • L'energia solare può essere immediatamente convertita e immagazzinata. Nelle celle fotovoltaiche , la luce solare viene convertita in elettricità e quindi nuovamente convertita in energia chimica per l'immagazzinamento, con una necessaria perdita di energia associata alla seconda conversione.
  • I sottoprodotti di queste reazioni sono rispettosi dell'ambiente. Il carburante fotosintetizzato artificialmente sarebbe una fonte di energia a emissioni zero , che potrebbe essere utilizzata per i trasporti o le case.

Gli svantaggi includono:

  • I materiali utilizzati per la fotosintesi artificiale spesso si corrodono in acqua, quindi possono essere meno stabili del fotovoltaico per lunghi periodi di tempo. La maggior parte dei catalizzatori a idrogeno è molto sensibile all'ossigeno, essendo inattivato o degradato in sua presenza; inoltre, il fotodanneggiamento può verificarsi nel tempo.
  • Il costo non è (ancora) abbastanza vantaggioso per competere con i combustibili fossili come fonte di energia commercialmente valida.

Una preoccupazione solitamente affrontata nella progettazione di catalizzatori è l'efficienza, in particolare quanta luce incidente può essere utilizzata in pratica in un sistema. Questo è paragonabile all'efficienza fotosintetica , in cui viene misurata la conversione da luce a energia chimica. Gli organismi fotosintetici sono in grado di raccogliere circa il 50% della radiazione solare incidente, tuttavia il limite teorico di efficienza fotosintetica è rispettivamente del 4,6 e del 6,0% per le piante C3 e C4 . In realtà, l'efficienza della fotosintesi è molto più bassa e solitamente è inferiore all'1%, con alcune eccezioni come la canna da zucchero nel clima tropicale. Al contrario, la massima efficienza riportata per i prototipi di laboratorio di fotosintesi artificiale è del 22,4%. Tuttavia, gli impianti sono efficienti nell'utilizzare la CO 2 a concentrazioni atmosferiche, cosa che i catalizzatori artificiali non sono ancora in grado di eseguire.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno