Potenzialmente producendo carbonio

L'Università di Hong Kong

immagine: Struttura del sistema artificiale di nanomicelle del cromatoforo sferico e studio del suo meccanismo. Immagine adattata da Nature Catalysis, 2023, doi:10.1038/s41929-023-00962-zvedere di più

Credito: Università di Hong Kong

Convertire l’energia solare in combustibili a zero emissioni di carbonio è un approccio promettente per ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili e combattere il cambiamento climatico. Prendendo esempi dalla natura, le piante e altri organismi fotosintetici utilizzano la luce solare per creare composti ricchi di energia da acqua e anidride carbonica (CO2) attraverso un complesso processo biochimico che avviene all’interno di strutture specializzate chiamate cloroplasti. Tuttavia, l’efficienza di questo processo naturale è limitata dal percorso metabolico che ha un’efficacia riflettente bassa nel convertire la luce solare in energia utile. Sebbene i cicli fotocatalitici artificiali abbiano dimostrato efficienze intrinseche più elevate, in genere si basano su CO2 pura o altamente concentrata e su mezzi organici per prevenire la degradazione del catalizzatore causata da acqua o protoni.

Gruppi di ricerca guidati dal professor David Lee PHILLIPS del Dipartimento di Chimica dell'Università di Hong Kong (HKU), dalla professoressa Lili DU dell'Università di Jiangsu (HKU PhD Alumna), dal professor Ruquan YE della City University di Hong Kong e dal professor Jia TIAN dell'Università di Hong Kong. l’Istituto di Chimica Organica di Shanghai ha sviluppato un sistema straordinario ed ecologico in grado di sfruttare efficacemente l’energia luminosa per il processo fotocatalitico. Questo sistema artificiale è altamente stabile e riciclabile e non fa affidamento su metalli preziosi, il che lo rende economicamente più fattibile e sostenibile. I risultati della ricerca sono stati recentemente pubblicati online sulla prestigiosa rivista scientifica Nature Catalysis.

Contesto e risultati In natura, gli organismi utilizzano un processo chiamato “autoassemblaggio gerarchico” per ottimizzare la raccolta della luce. Durante il processo, organizzano i componenti fotocatalitici all'interno di un ambiente su misura fornito da scaffold a base lipidica o proteica. Ottenendo elevata stabilità, selettività ed efficienza, la fotosintesi si basa sull'elevata area superficiale e sul preciso controllo spaziale delle molecole di cromoforo e dei centri catalitici attraverso l'autoassemblaggio, che offre un principio di progettazione per sistemi fotocatalitici artificiali altamente efficienti.

Studi recenti hanno dimostrato l'utilizzo di vescicole e micelle formate dal co-assemblaggio di lipidi naturali o tensioattivi sintetici con specie fotocatalitiche. Queste strutture agiscono come microreattori, imitando l'ambiente delle membrane cellulari. Tuttavia, replicare i supercomplessi naturali che raccolgono la luce attraverso percorsi sintetici è difficile da implementare e tutt’altro che conveniente.

Apprezzando pienamente gli sforzi e le sfide attuali, il team HKU e i suoi collaboratori hanno progettato un sistema artificiale di nanomicelle cromatoforo sferico autoassemblante in acqua, ispirato all'apparato fotosintetico del Rhodobacter sphaeroides, un tipo di batterio che si trova comunemente nel suolo e nelle acque. acqua dolce, che ha una struttura speciale chiamata "cromatoforo sferico che raccoglie la luce". Questa struttura agisce come un sensore di luce e possiede una notevole capacità di trasferire in modo efficiente l'energia della luce solare attraverso un effetto unico chiamato "effetto antenna sferica", creato da disposizioni circolari di molecole specifiche sulla superficie del cromatoforo. Ciò consente ai batteri di catturare e utilizzare la luce solare in modo efficace per i loro bisogni energetici.

Questo sistema artificiale imita il cromatoforo sferico che raccoglie la luce dei batteri ed è costituito da minuscole strutture sferiche chiamate nanomicelle che si autoassemblano in soluzioni acquose. Queste nanomicelle fungono da elementi costitutivi del sistema. Il sistema utilizza molecole modificate e composti che assorbono la luce noti come "anfifili di porfirina Zn potenziati con legante aramidico", che interagiscono con un catalizzatore di Co attraverso forze elettrostatiche, portando a un assemblaggio gerarchico unico. Pertanto, questo assemblaggio è indotto dall'"effetto antenna sferica" ​​e migliora il sistema per catturare e accendere l'energia per i processi fotocatalitici.