Celle fotosintetiche: Processo di trasformazione del biossido di carbonio in idrocarburi riutilizzabili come combustibili

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Copiare le piante per trasformare l’anidride carbonica in energia
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Vedi i “link correlati” riportati in basso.

La cella fotosintetica, che è una sorta di foglia artificiale creata in laboratorio, sfrutta una dinamica parallela a quella delle piante, una reazione detta di “riduzione” ovvero l’opposto della reazione di “ossidazione” o della “combustione”, per produrre Syngas (ovvero gas di sintesi). Il Syngas altro non è che una miscela di idrogeno, monossido di carbonio, minime qunatità di metano e di biossido di carbonio, esso può essere usato direttamente come combustibile oppure trasformato in gasolio o in diversi idrocarburi. La reazione di riduzione che porta al Syngas deve essere guidata da appositi catalizzatori; fino a non molto tempo fa sono stati utilizzati catalizzatori piuttosto costosi (vedi ad esempio l’argento) i quali, però, si sono rivelati inefficienti.

La situazione è cambiata decisamente quando si sono iniziati ad utilizzare, in qualità di catalizzatori, composti nanostrutturati denominati TMDC (Transition Metal Dichalcogenides, in italiano, metalli di transizione dicalcogenuri, ovvero trattasi di materiali nanostrutturati 2D che, come gli appassionati del tema sapranno già bene, mostrano proprietà fisiche un tempo impensabili) abbinandoli ad un elettrolita costituito da un liquido ionico non convenzionale all’interno di una cella elettrochimica a 2 comparti e 3 elettrodi. Il catalizzatore che ha restituito i risultati migliori è stato il tungsteno diselenide nella forma nanometrica non perfettamente piana definita nanoflake (nanoflake tungsten diselenide). Quest’ultimo è molto attivo, capace di rompere i legami chimici dell’anidride carbonica e di raggiungere prestazioni sorprendenti se si pensa che è 1000 volte più veloce dei catalizzatori costituiti da metalli nobili ed è circa 20 volte più economico.

In realtà non è la prima volta che si usano catalizzatori di tipo TMDC. Altri ricercatori l’hanno già fatto ad esempio per ricavare idrogeno, ma mai per la riduzione dell’anidride carbonica. Questo perché il catalizzatore, da solo, non riesce a “sopravvivere” alla reazione in quanto i suoi siti attivi vengono avvelenati e ossidati. Invece, utilizzando un fluido ionico denominato etil-metilimidazolio tetrafluoroborato (ethyl-methylimidazolium tetrafluoroborate), mescolato al 50% con acqua, si genera un co-catalizzatore che conserva attivi i siti del TMDC anche nelle condizioni più difficili di riduzione.

La foglia artificiale realizzata dai ricercatori dell’UIC è costituita da celle fotovoltaiche (di silicio, a tripla giunzione) incaricate di raccogliere la luce, catalizzatore (tungsteno diselenide) e co-catalizzatore (etil-metilimidazolio tetrafluoroborato) posti sul catodo, infine ossido di cobalto in un elettrolita di fosfato di potassio posti sull’anodo. Quando la luce investe le celle fotovoltaiche, idrogeno e monosssido di carbonio vengono sprigionati dal catodo mentre ossigeno libero e ioni di idrogeno sono emessi dall’anodo. Gli ioni di idrogeno poi diffondono attraverso una membrana posta al lato del catodo e partecipano alla riduzione dell’anidride carbonica.

I risultati lasciano ben sperare per nuovi impieghi dei TMDC (metalli di transizione dicalcogenuri) i quali, assieme a quelli offerti dal grafene, rappresentano un passaggio definitivo ad una nuova era della ricerca scientifica-tecnologica in ambiti di rilievo come l’ambiente, l’energia, la medicina.

Fonte:
University of Illinois at Chicago – www.uic.edu
Elenco dei catalizzatori disponibile su: science.sciencemag.org

Che cos’è l’ossidoriduzione?

In questa breve rubrica si parla di ossidare, ridurre, ossidoriduzione per chi ne fosse a digiuno ne diamo una definizione piuttosto basilare che merita, naturalmente, tutti i dovuti approfondimenti da parte del lettore.

In chimica le reazioni di ossidoriduzione sono quelle in cui si ha uno scambio di elettroni tra una specie chimica e l’altra (cambia quindi il numero di ossidazione degli atomi). Tipici fondamentali esempi di reazioni di ossidoriduzione sono la respirazione e la fotosintesi clorofilliana. Con il termine “ossidazione” si intende che la specie chimica perde elettroni, mentre con il termine “riduzione” (dal latino re-ducedere ovvero riportare) si intende che la specie chimica acquisisce elettroni.

Es. 1
Processo fotosintetico
6CO2 + 6H2O + Energia solare → C6H12O6 + 6O2

Es. 2
Respirazione cellulare
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energia (ATP)

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Che cos’è una cella Fotosintetica?
Celle Fotosintetiche: Trasformare la CO2 in idrocarburi
Celle Fotosintetiche: Processo di trasformazione della CO2
Che cos’è una cella Fotovoltaica?

Cella fotosintetica

Image’s copyright: www.uic.edu

Celle fotosintetiche: Trasformare il biossido di carbonio in idrocarburi riutilizzabili come combustibili utilizzando il sole come fonte di energia

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Copiare le piante per trasformare l’anidride carbonica in energia

I ricercatori dell’Università dell’Illinois a Chicago hanno realizzato un cella solare in grado di trasformare l’anidride carbonica presente nell’atmosfera in idrocarburi direttamente utilizzabili o facilmente trasformabili nei carburanti noti. Il tutto sfruttando l’energia proveniente dal sole ed opportuni catalizzatori (maggiori info sullo studio, sui finanziamenti e sulla domanda di brevetto disponibili sulla rivista Science, presso la National Science Foundation, presso lo United States Departement of Enerrgy e sul sito web dell’Università dell’Illinois www.uic.edu).

Nonostante si tratti di un progetto di estremo rilievo, esso consiste tutto sommato in un sistema relativamente semplice, economico ed efficiente. Si suppone addirittura che sia possibile trasformare l’anidride carbonica atmosferica a costi competitivi con quelli degli ordinari carburanti.

Come è noto ai più le celle solari di tipo “fotovoltaico” (ovvero quelle che sfruttano il cosiddetto effetto fotovoltaico) trasformano la luce solare in energia elettrica direttamente utilizzabile o, meglio, immagazzinabile in un serbatoio che prende il nome di accumulatore elettrochimico (volgarmente… le batterie). Le celle progettate in questo caso, invece, sono sì solari ma di tipo “fotosintetico”. Questo significa che si comportano come le piante e l’energia proveniente dalla luce non diventa una corrente elettrica ma dà luogo ad una reazione chimica che, con l’ausilio di particolari catalizzatori, assorbe l’anidride carbonica atmosferica restituendo un combustibile come prodotto e risolvendo così due problemi non da poco (l’inquinamento ambientale e l’approvvigionamento di carburante). Realizzare ad esempio campi dotati di celle solari fotosintetiche equivarrebbe a pulire l’aria da notevoli quantità di carbonio producendo al contempo combustibile ad alta densità di energia in modo efficiente.

E’ quindi concreta oggi la possibilità di produrre carburanti rinnovabili anziché far uso di carburanti di origine fossile i quali sono protagonisti di un percorso a senso unico che termina con l’emissione di gas serra. Il tutto copiando semplicemente la dinamica delle piante quando, nella fase luminosa, trasformano l’anidride carbonica in glucosio (vedi in basso i Link correlati).

Continua…

Fonte:
University of Illinois at Chicago – www.uic.edu
Elenco dei catalizzatori disponibile su: science.sciencemag.org

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Celle fotosintetiche

Image’s copyright: www.uic.edu

Nanotubi di carbonio

I nanotubi di carbonio sono nanostrutture monodimensionali (vedi l’articolo: Materiali nanostrutturati) il cui rapporto tra la lunghezza ed il diametro può raggiungere valori molto elevati pari a L/d = 10.000 – 100.000.  Sono caratterizzati da sorprendenti proprietà meccaniche ed interessanti proprietà ottiche ed elettroniche. Un nanotubo a parete singola può essere visto come un singolo piano grafitico (grafene) arrotolato attorno ad un asse.

Il grafene ha un modulo di Young (modulo di elasticità longitudinale il quale misura il rapporto tra sforzo e deformazione: E = σ/ε) molto elevato nell’ordine di 1 Tpa (un tera-pascal, vedi l’articolo: Fattore di moltiplicazione). Ciò si spiega grazie al legame covalente C-C nel piano. Sembrerebbe inoltre che la flessione del piano grafenico porti ad un ulteriore aumento del modulo di Young (su questo fenomeno attualmente si stanno effettuando approfondite ricerche). I nanotubi di carbonio, quando deformati lungo il proprio asse, manifestano un’elevatissima resistenza a frattura. Simulazioni di dinamica molecolare, eseguite al computer, indicano che i nanotubi dovrebbero riassumere la forma originaria una volta annullato lo sforzo applicato. Il carico specifico (rapporto: carico/peso) risulta essere estremamente elevato e rende appetibili i nanotubi per applicazioni in qualità di fibra di rinforzo nei materiali compositi. Nonostante ciò, in progettazione, va tenuto conto di una forte anisotropia causata dalla scarsa coadesione tra nanotubi ovvero lungo il piano perpendicolare all’asse. In altre parole ciò significa che i legami che costituiscono ogni singolo nanotubo sono decisamente forti mentre i legami che intercorrono tra più nanotubi sono piuttosto deboli.

I nanotubi si suddividono in due principali categorie: i Single-Walled nanotubes (SWNT), ovvero i nanotubi a parete singola ed i Multi-Walled nanotubes, ovvero i nanotubi a parete multipla. Parleremo presto in modo più approfondito delle particolarità di queste due tipologie di materiali nanostrutturati.

nanotubi_carbonio.jpg

Possiamo immaginare i nanotubi di carbonio come una rete metallica a trama esagonale
(di quelle che si trovano in ferramenta) arrotolata intorno all’asse longitudinale.
Image’s copyright: Swiss Nanoscience Institute (www.nanoscience.ch)

Materiali nanostrutturati

I materiali nanostrutturati sono quei materiali le cui proprietà strutturali e funzionali dipendono da componenti con almeno una delle tre dimensioni su scala nanometrica (1 nm = 10-9 m). Tale scala rappresenta una zona di confine in cui vi è il passaggio tra il mondo macroscopico, in cui vale la fisica classica, e la scala atomica, regolata invece dalla meccanica quantistica.

Le nanotecnologie comportano la capacità di controllare e manipolare la materia sulla scala nanometrica ed hanno lo scopo di sfruttare le proprietà ed i fenomeni fisici e chimici che si manifestano su tale scala. Le particelle dalle dimensioni inferiori ai 100 nm (0,0001 mm) mostrano proprietà e comportamenti nuovi. Sotto una certa dimensione critica, infatti, cambiano: la struttura elettronica, la conducibilità, la reattività, la temperatura di fusione e le proprietà meccaniche.

Attraverso la nanotecnologia è oggi possibile produrre una importante varietà di nanostrutture e di materiali nanostrutturati. Le diverse tipologie di nanostrutture si distinguono in base al numero di dimensioni in cui si ha confinamento:

Quantum well: se solo una delle dimensioni è ridotta alla scala nanometrica mentre le altre due dimensioni rimangono macroscopiche. Ad esempio uno strato con spessore nanometrico: film sottile.

Quantum wire: se le dimensioni in cui si ha confinamento sono due. Ad esempio i nanotubi di carbonio.

Quantum dot: se le dimensioni in cui si ha confinamento sono tre. Ad esempio le nanoparticelle.

Per farsi un’idea circa le dimensioni…

Il diametro di un capello è pari a circa 10 micron (0,01 millimetri) ovvero circa 10.000 nanometri.
Una proteina ha dimensioni comprese tra 1 e20 nanometri, ovvero tra 0,000001 e 0,00002 mm.
In 2,5 nm3 di materiale possiamo trovare circa 1.000 atomi.
Può esserti utile leggere l’articolo “Fattore di moltiplicazione” per avere un’idea delle grandezze in gioco.

Continua…

discorso_feynman_nanoplotter.jpg

Discorso di Richard Feynman (premio Nobel per la fisica – 1965)
scritto manipolando la materia attraverso un nanoplotter