“FOTOSINTESI ARTIFICIALE” IL SISTEMA È 10 VOLTE PIÙ EFFICIENTE DEI SISTEMI ESISTENTI

!Scienza e innovazione

Pubblicato: 14 novembre 2022

Post originale a cura dell'Università di Chicago

Negli ultimi due secoli, gli umani hanno fatto affidamento sui combustibili fossili per energia concentrata; centinaia di milioni di anni di fotosintesi racchiusi in una sostanza conveniente e densa di energia. Ma quell'offerta è limitata e il consumo di combustibili fossili ha un enorme impatto negativo sul clima terrestre.

“ La più grande sfida che molte persone non capiscono è che anche la natura non ha una soluzione per la quantità di energia che usiamo, ” ha detto il chimico dell'Università di Chicago Wenbin Lin. Nemmeno la fotosintesi è così buona, ha detto: “ Dovremo fare meglio della natura, e questo è spaventoso. ”

Una possibile opzione che gli scienziati stanno esplorando è “ fotosintesi artificiale ” — rielaborazione del sistema di un impianto per produrre i nostri tipi di carburanti. Tuttavia, l'attrezzatura chimica in una singola foglia è incredibilmente complessa e non è così facile rivolgersi ai nostri scopi.

Uno studio sulla catalisi naturale di sei chimici dell'Università di Chicago mostra un nuovo sistema innovativo per la fotosintesi artificiale che è più produttivo dei precedenti sistemi artificiali di un ordine di grandezza. A differenza della normale fotosintesi, che produce carboidrati dall'anidride carbonica e dall'acqua, la fotosintesi artificiale potrebbe produrre etanolo, metano o altri combustibili.

Anche se ha ancora molta strada da fare prima che possa diventare un modo per alimentare la tua auto ogni giorno, il metodo offre agli scienziati una nuova direzione per esplorare — e può essere utile a breve termine per la produzione di altri prodotti chimici.

“ Questo è un enorme miglioramento dei sistemi esistenti, ma altrettanto importante, siamo stati in grado di stabilire una comprensione molto chiara di come funziona questo sistema artificiale a livello molecolare, che non è stato realizzato prima, ” ha detto Lin, che è il professore di chimica James Franck all'Università di Chicago e autore senior dello studio.

“ Senza fotosintesi naturale, non saremmo qui. Ha reso l'ossigeno che respiriamo sulla Terra e produce il cibo che mangiamo, ” ha detto Lin. “ Ma non sarà mai abbastanza efficiente fornire carburante per noi per guidare automobili; quindi avremo bisogno di qualcos'altro. ”

Il problema è che la fotosintesi è costruita per creare carboidrati, che sono ottimi per alimentarci, ma non le nostre auto, che hanno bisogno di energia molto più concentrata. Quindi i ricercatori che desiderano creare supplenti ai combustibili fossili devono riprogettare il processo per creare più combustibili ad alta densità energetica, come etanolo o metano.

In natura, la fotosintesi viene eseguita da diverse assemblee molto complesse di proteine e pigmenti. Assumono acqua e anidride carbonica, spezzano le molecole e riorganizzano gli atomi per produrre carboidrati — una lunga serie di composti idrogeno-ossigeno-carbonio. Gli scienziati, tuttavia, devono rielaborare le reazioni per produrre invece un accordo diverso con solo idrogeno che circonda un succoso nucleo di carbonio — CH4, noto anche come metano.

Questa reingegnerizzazione è molto più complicata di quanto sembri; la gente ci armeggia da decenni, cercando di avvicinarsi all'efficienza della natura.

Lin e il suo team di laboratorio hanno pensato che avrebbero potuto provare ad aggiungere qualcosa che i sistemi di fotosintesi artificiale fino ad oggi non hanno incluso: gli aminoacidi.

Il team ha iniziato con un tipo di materiale chiamato struttura metallo-organica o MOF, una classe di composti costituiti da ioni metallici tenuti insieme da molecole di collegamento organico. Quindi hanno progettato i MOF come un singolo strato, al fine di fornire la massima superficie per le reazioni chimiche, e immerse tutto in una soluzione che includeva un composto di cobalto per trasportare gli elettroni in giro. Alla fine, hanno aggiunto aminoacidi ai MOF e hanno sperimentato per scoprire quale funzionasse meglio.

"La più grande sfida che molte persone non capiscono è che anche la natura non ha soluzione per la quantità di energia che usiamo."

— Prof. Wenbin Lin

Sono stati in grado di apportare miglioramenti ad entrambe le metà della reazione: il processo che spezza l'acqua e quello che aggiunge elettroni e protoni all'anidride carbonica. In entrambi i casi, gli aminoacidi hanno aiutato la reazione ad andare in modo più efficiente.

Anche con prestazioni significativamente migliorate, tuttavia, la fotosintesi artificiale ha ancora molta strada da fare prima di poter produrre abbastanza carburante per essere rilevante per un uso diffuso. “ Dove siamo ora, dovrebbe aumentare di molti ordini di grandezza per produrre una quantità sufficiente di metano per il nostro consumo, ha detto Lin.

La svolta potrebbe anche essere ampiamente applicata ad altre reazioni chimiche; devi produrre molto carburante per avere un impatto, ma quantità molto più piccole di alcune molecole, come i materiali di partenza per produrre farmaci e calze di nylon, tra gli altri, potrebbero essere molto utili.

“ Molti di questi processi fondamentali sono gli stessi, ” ha detto Lin. “ Se si sviluppano buone sostanze chimiche, possono essere collegate a molti sistemi. ”

Gli scienziati hanno utilizzato risorse presso Advanced Photon Source, un sincrotrone situato negli Stati Uniti. Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia, per caratterizzare i materiali.

Riferimento: Lan G, Fan Y, Shi W, You E, Veroneau SS, Lin W. Siti attivi biomimetici su metallo monostrato – quadri organici per fotosintesi artificiale. Nat Catal. 2022. doi10.1038 / s41929-022-00865-5

Questo articolo è stato ripubblicato da quanto segue. Nota: il materiale potrebbe essere stato modificato per lunghezza e contenuto. Per ulteriori informazioni, si prega di contattare la fonte citata.