ECOLEZIONE degli alunni Mazzon e Meneghetti

Ecolezione: La fotosintesi
artificiale
A cura di : Roberto Meneghetti e Alex Mazzon
classe 2 A IPAA Corazzin-ISISS Cerletti
Definizione
 La fotosintesi artificiale è un processo chimico
che riproduce il processo naturale di fotosintesi,
che converte la luce del sole, acqua e anidride
carbonica in carboidrati e ossigeno
PROCESSO
 Il termine si riferisce di solito a qualunque sistema per
catturare e immagazzinare l'energia dalla luce del sole
nei legami chimici di un combustibile (combustibile
solare). La dissociazione fotocatalizzata dell'acqua
converte l'acqua in protoni (e infine in idrogeno) e
ossigeno ed è una delle aree di ricerca principali nella
fotosintesi
artificiale.
La
riduzione
fotochimica
dell'anidride carbonica è un altro processo sotto studio
e riproduce la naturale fissazione del carbonio.
Panoramica
 Le reazioni di
fotosintesi possono
essere divise in
due semi-reazioni
(ossidazione e
riduzione),
entrambe essenziali
per produrre il
carburante. Nella
fotosintesi delle
piante, le molecole
d'acqua sono fotoossidate per
rilasciare ossigeno
e protoni. La
seconda fase della
fotosintesi delle
piante (conosciuta
come ciclo di Calvin
è una reazione
indipendente dalla
luce che converte
l'anidride
carbonica in
glucosio. La ricerca
sulla fotosintesi
artificiale sta
sviluppando
fotocatalizzatori
per realizzare
entrambe queste
reazioni
separatamente.
Inoltre, i protoni
derivanti dalla
dissociazione
dell'acqua possono
essere usati nella
produzione di
idrogeno. Questi
catalizzatori
devono essere in
grado di reagire
rapidamente e
assorbire una
grande percentuale
dei fotoni solari.
Applicazioni pratiche
Fotosintesi artificiale
Produce
Idrogeno
Biomasse
Origine
 - Ispirata al processo della fotosintesi delle piante, la
soluzione messa a punto 15 settembre 2008 dal professor
Nocera e da Matthew Kanan del Mit, utilizza l'energia solare
per separare l'acqua in idrogeno e ossigeno che in seguito
possono essere ricombinati all'interno di una cella a
combustibile generando elettricità giorno e notte
 FOTOSINTESI NATURALE
 Le piante combinano sei molecole di anidride carbonica assorbita dall’aria
con sei di acqua per ottenere una molecola di glucosio (uno zucchero
molto semplice) e sei molecole di ossigeno. Tutto questo processo avviene
grazie alla luce del sole. L’energia solare quindi consente che composti
semplici e poveri di energia (acqua e anidride carbonica) siano convertiti
in composti complessi e molto energetici (lo zucchero). Le piante perciò
immagazzinano l’energia del sole e la accumulano sotto forma di energia
chimica. Noi insieme a tutti gli altri animali respiriamo l’ossigeno liberato
nell’aria dalle piante e ci nutriamo direttamente o indirettamente delle
molecole energetiche che le stesse producono grazie alla fotosintesi.
 FOTOSINTESI ARTIFICIALE
Il cuore attivo della foglia artificiale è costituito da un catalizzatore
realizzato con due metalli piuttosto comuni: il nickel e il cobalto.
Quando il congegno, immerso in acqua, viene illuminato dal sole, rompe
le molecole di acqua e separa l’idrogeno dall’ossigeno. L’idrogeno e
l’ossigeno prodotti sono subito accumulati in due serbatoi separati e
ricombinati in una cella combustibile che ricava calore ed elettricità
dalla trasformazione dei due gas di nuovo in acqua. L’aspetto più
ecologico del sistema è proprio l’assenza totale di emissioni nocive e il
riciclo continuo della stessa acqua.
COMPONENTI
 Catalizzatori: Manganese,Biossido di titanio,
Ossido di cobalto.
 Luce solare
 Materiale fotoanodo
 Materiale fotocatodo
 Membrana permeabile
PRODUZIONE
 il sistema integrato di fotosintesi artificiale
raggiunge una conversione dello 0,12 per cento
della luce solare in idrogeno tramite la
scissione delle molecole d’acqua.
 Una scoperta fatta da ricercatori del Politecnico di Losanna
permetterà di migliorare l'efficienza delle cellule fotoelettrochimiche utilizzate per produrre idrogeno dall'acqua.
Le cellule foto-elettrochimiche trasformano la luce del sole in
energia da utilizzare per produrre reazioni chimiche, proprio
come fanno le piante nella fotosintesi. Il processo sfrutta
materiali semiconduttori fotosensibili, come l'ossido rameoso,
per produrre la corrente necessaria ad alimentare le reazioni.
Il problema per l'uso di questo ossido nella produzione
diretta di idrogeno dall'acqua è rappresentato dal fatto che
la sua esposizione alla luce in acqua lo rende instabile,
facendo perdere al materiale le sue proprietà
semiconduttrici.
Come viene illustrato in un articolo pubblicato su nature
materials, i ricercatori sono riusciti nel loro intento applicando
al caso dell'idrogeno tecniche già utilizzate a scala industriale
per altri scopi.
 Il gruppo di ricercatori ha sviluppato la tecnica
facendo crescere strati di ossido di zinco e ossido di
titanio di spessore monoatomico sulla superficie
dell'ossido di rame. Grazie a questa tecnica di
deposizione atomica, è stato così possibile controllare
lo spessore dello strato protettivo su tutta la
superficie delle lamelle di ossido rameoso. Il livello di
precisione raggiunto garantisce la stabilità del
semiconduttore preservando al contempo la sua
efficienza
nella
produzione
di
idrogeno.
Il fatto di aver utilizzato materiali ampiamente
disponibili e poco costosi e di aver sfruttato tecnologie
già disponibili e diffuse, rappresenta secondo i
ricercatori un significativo passo in avanti verso la
possibilità di una produzione foto-elettrochimica di
idrogeno di interesse industriale.
VANTAGGI
 Nella fotosintesi naturale, le piante utilizzano la luce
solare per fare loro combustibile in forma di grassi,
proteine ​e carboidrati. Gli scienziati stanno cercando
di sviluppare un processo simile che converte la luce
solare in fonti energetiche che possono essere
utilizzate per alimentare automobili e fornire energia
elettrica. I due componenti chiave di questo processo
sono: raccogliere i raggi solari e dividere le molecole
di acqua per recuperare l'idrogeno. L'idrogeno può
essere usato per produrre idrogeno liquido, che a sua
volta potrebbe essere utilizzato come fonte di energia
pulita ed efficiente.
La fotosintesi artificiale
potrebbe anche produrre celle a combustibile
idrogeno,
che
potrebbero
generare
elettricità
combinando ossigeno e idrogeno in acqua, così come il
metanolo.
CONCLUSIONI
 La fotosintesi artificiale è una tecnologia e un
settore di ricerca di crescente interesse per la
comunità
scientifica
internazionale.
Se
ulteriormente
sviluppata
potrà
fornire
nell’immediato futuro importanti applicazioni sia
nella produzione di biomasse ma soprattutto
sulla produzione di energie alternative a basso
costo e a basso impatto. Lo sviluppo di tale
tecnologia potrebbe rivoluzionare l’attuale
modello di consumi energetici e risolvere il
problema energetico globale.