Un metodo a energia solare illumina la strada verso un'industria chimica "de-fossilizzata

"Foglia artificiale" con semiconduttori organici ed enzimi batterici per la conversione sostenibile della CO₂ - senza componenti tossici

20.10.2025

I ricercatori hanno dimostrato un modo nuovo e sostenibile per produrre le sostanze chimiche che sono alla base di migliaia di prodotti - dalla plastica ai cosmetici - che utilizziamo ogni giorno.

Celine Yeung

Fotocatodo organico semi-artificiale in funzione

Celine Yeung

Fotocatodo organico semi-artificiale

Celine Yeung
Celine Yeung

Centinaia di migliaia di sostanze chimiche sono prodotte dall'industria chimica, che trasforma le materie prime - solitamente combustibili fossili - in prodotti finali utili. A causa delle sue dimensioni e dell'uso di materie prime fossili, l'industria chimica è responsabile di circa il 6% delle emissioni globali di carbonio.

Ma i ricercatori, guidati dall'Università di Cambridge, stanno sviluppando nuovi metodi che un giorno potrebbero portare alla "de-fossilizzazione" di questo importante settore.

Hanno sviluppato un dispositivo ibrido che combina polimeri organici che raccolgono la luce con enzimi batterici per convertire la luce solare, l'acqua e l'anidride carbonica in formiato, un carburante che può guidare ulteriori trasformazioni chimiche.

La loro "foglia semi-artificiale" imita la fotosintesi, il processo che le piante utilizzano per convertire la luce solare in energia, e non richiede alcuna fonte di energia esterna. A differenza dei prototipi precedenti, che spesso si basavano su assorbitori di luce tossici o instabili, il nuovo progetto bioibrido evita i semiconduttori tossici, dura più a lungo e può funzionare senza l'aggiunta di sostanze chimiche che in precedenza ostacolavano l'efficienza.

Nei test, i ricercatori hanno usato la luce solare per convertire l'anidride carbonica in formiato e poi l'hanno utilizzata direttamente in una reazione chimica "domino" per produrre un importante tipo di composto usato in campo farmaceutico, con un'elevata resa e purezza.

I risultati, riportati sulla rivista Joule, segnano la prima volta che i semiconduttori organici sono stati utilizzati come componente di raccolta della luce in questo tipo di dispositivo bioibrido, aprendo la porta a una nuova famiglia di foglie artificiali sostenibili.

L'industria chimica è centrale per l'economia mondiale e produce prodotti che vanno dai prodotti farmaceutici e fertilizzanti, alla plastica, alle vernici, all'elettronica, ai prodotti per la pulizia e agli articoli da toilette.

"Se vogliamo costruire un'economia circolare e sostenibile, l'industria chimica è un problema grande e complesso che dobbiamo affrontare", ha dichiarato il professor Erwin Reisner del Dipartimento di Chimica Yusuf Hamied di Cambridge, che ha guidato la ricerca. "Dobbiamo trovare il modo di de-fossilizzare questo importante settore, che produce molti prodotti importanti di cui tutti abbiamo bisogno. È un'opportunità enorme, se riusciamo a farlo bene".

Il gruppo di ricerca di Reisner è specializzato nello sviluppo di foglie artificiali, che trasformano la luce del sole in combustibili e prodotti chimici a base di carbonio senza ricorrere ai combustibili fossili. Ma molti dei loro progetti precedenti dipendono da catalizzatori sintetici o semiconduttori inorganici, che si degradano rapidamente, sprecano gran parte dello spettro solare o contengono elementi tossici come il piombo.

"Se riusciamo a eliminare i componenti tossici e a utilizzare elementi organici, otteniamo una reazione chimica pulita e un unico prodotto finale, senza reazioni collaterali indesiderate", ha dichiarato il co-autore Celine Yeung, che ha completato la ricerca nell'ambito del suo dottorato di ricerca nel laboratorio di Reisner. "Questo dispositivo combina il meglio dei due mondi: i semiconduttori organici sono sintonizzabili e non tossici, mentre i biocatalizzatori sono altamente selettivi ed efficienti".

Il nuovo dispositivo integra i semiconduttori organici con gli enzimi dei batteri che riducono il solfato, scindendo l'acqua in idrogeno e ossigeno o convertendo l'anidride carbonica in formiato.

I ricercatori hanno anche affrontato una sfida di lunga data: la maggior parte dei sistemi richiede additivi chimici, noti come tamponi, per mantenere gli enzimi in funzione. Questi possono rompersi rapidamente e limitare la stabilità. Incorporando un enzima di supporto, l'anidrasi carbonica, in una struttura porosa di titania, i ricercatori hanno permesso al sistema di funzionare in una semplice soluzione di bicarbonato - simile all'acqua frizzante - senza additivi insostenibili.

"È come un grande puzzle", ha detto il co-first author Yongpeng Liu, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Reisner. "Abbiamo tutti questi diversi componenti che abbiamo cercato di mettere insieme per un unico scopo. Ci è voluto molto tempo per capire come questo specifico enzima viene immobilizzato su un elettrodo, ma ora stiamo iniziando a vedere i frutti di questi sforzi".

"Studiando il funzionamento dell'enzima, siamo riusciti a progettare con precisione i materiali che compongono i diversi strati del nostro dispositivo a sandwich", ha detto Yeung. "Questo progetto ha fatto sì che le parti lavorassero insieme in modo più efficace, dalla piccola scala nanometrica fino alla foglia artificiale completa".

I test hanno dimostrato che la foglia artificiale ha prodotto correnti elevate e ha raggiunto un'efficienza quasi perfetta nel dirigere gli elettroni nelle reazioni di produzione del carburante. Il dispositivo ha funzionato con successo per oltre 24 ore: più del doppio rispetto ai progetti precedenti.

I ricercatori sperano di sviluppare ulteriormente i loro progetti per estendere la durata del dispositivo e adattarlo in modo che possa produrre diversi tipi di prodotti chimici.

"Abbiamo dimostrato che è possibile creare dispositivi a energia solare non solo efficienti e durevoli, ma anche privi di componenti tossici o non sostenibili", ha dichiarato Reisner. "Questo potrebbe essere una piattaforma fondamentale per la produzione di carburanti e prodotti chimici verdi in futuro: è una vera opportunità per fare della chimica importante ed entusiasmante".

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