I ricercatori del Berkeley Lab realizzano le prima fotosintesi artificiale con un nanosistema “Fully Integrated”  

GreenReport - Un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory dell'Università di California e del Dipartimento Usa dell'energia (a dire il vero con nomi poco americani: Chong Liu, Jinyao Tang , Hao Ming Chen, Bin Liu e Peidong Yang) hanno pubblicato su Nano Letters il sorprendente studio A Fully Integrated Nanosystem of Semiconductor Nanowires for Direct Solar Water Splitting, nel quale spiegano che «La fotosintesi artificiale, l'approccio biomimetico per convertire l'energia della luce solare direttamente in combustibili chimici, si propone di imitare la natura utilizzando un sistema integrato di nanostrutture, ognuna delle quali svolge un ruolo specifico nel processo di conversione luce solare-combustibile».

La ricerca sottolinea che «Nell'ambito di luce solare simulata, è stata raggiunta un'efficienza di conversione solare in combustibile dello 0,12%, che è paragonabile a quella della fotosintesi naturale. Il risultato dimostra la possibilità di integrare componenti materiali in un sistema funzionale che imita l'integrazione nanoscopica nei cloroplasti. Inoltre fornisce un modello concettuale del design modulare che permette l'incorporazione di componenti di recente scoperta per migliorare le prestazioni».

Siamo quindi oltre quella che viene definita "foglia artificiale" per passare alla "foresta artificiale". Il leader dei ricercatori, Peidong Yang, un chimico della Materials sciences division del Berkeley Lab, spiega che «Simile ai cloroplasti nelle piante verdi che svolgono la fotosintesi, il nostro sistema fotosintetico artificiale è composto da due semiconduttori assorbitori di luce, uno strato interfacciale per il trasporto della carica, e co-catalizzatori spazialmente separati. Per facilitare la scissione solare dell'acqua nel nostro sistema, abbiamo sintetizzato eterostrutture nanofile simili ad alberi, costituiti da tronchi di silicio e rami di ossido di titanio. Visivamente, le matrici di queste nanostrutture somigliano molto ad una foresta artificiale».

Le tecnologie solari sono la soluzione ideale per produrre energie rinnovabili ad emissioni zero e basterebbe sfruttarne efficientemente una minima parte per soddisfare tutti i bisogni umani per un anno. La fotosintesi artificiale, che converte direttamente l'energia solare in combustibili chimici, è considerata una tra le tecnologie solari più promettenti, ma per competere con i combustibili fossili deve essere in grado di produrre idrogeno abbastanza a buon mercato. «Vincere questa sfida - dicono i ricercatori del Berkley Lab - richiede un sistema integrato in grado di assorbire la luce solare in modo efficiente e produrre charge-carriers che portino ad una "separate water reduction" e a "oxidation half-reactions"».

Yang spiega che «Nella fotosintesi naturale l'energia della luce solare assorbita produce "energized charge-carriers" che eseguono le reazioni chimiche in regioni separate del cloroplasto. Abbiamo integrato la nostra nanowire nanoscale heterostructure in un sistema funzionale che imita l'integrazione nei cloroplasti e fornisce un modello concettuale per una migliore efficienza della conversione solare-combustibile in futuro».

L'efficienza di conversione dello 0,12%, anche se paragonabile ad alcune efficienze di conversione fotosintetiche naturali, dovrà essere sostanzialmente migliorata se si vuole avere un utilizzo commerciale, ma il design modulare di questo sistema permette di migliorare le prestazioni. «Abbiamo alcune buone idee per sviluppare foto-anodi stabili con prestazioni migliori dell'ossido di titanio - conclude Yang. Siamo sicuri che saremo in grado di sostituire gli anodi di ossido titanio in un prossimo futuro e spingere l'efficienza della conversione dell'energia fino a percentuali a cifre singole».