Fotosintesi di laboratorio per generare idrogeno

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Riprodurre in laboratorio la fotosintesi clorofilliana per ottenere idrogeno. E' il traguardo raggiunto da uno studio  tutto italiano, pubblicato sulla rivista 'Nature Chemistry', che ha coinvolto l'Istituto di ricerca per la tecnologia delle membrane (Itm) del Cnr di Padova, il dipartimento di Scienze chimiche dell'università di Padova e il dipartimento di Scienze farmaceutiche dell'università di Trieste. Lo studio, coordinato da Marcella Bonchio dell'Itm-Cnr e da Maurizio Prato dell'università di Trieste, si è avvalso della collaborazione di alcuni ricercatori dell'università di Bologna, della Sissa e del Sincrotone di Trieste.

In natura, la fotosintesi, effettuata dai cosiddetti organismi autotrofi (dal greco autos = da se stesso e trophos = alimentazione), tra cui le piante, è il processo in cui  l'anidride carbonica viene convertita in carboidrati direttamente utilizzabili dagli organismi eterotrofi, come gli animali e l'uomo, per trarne energia sotto forma di alimento. La fotosintesi prevede la reazione di acqua e anidride carbonica per ottenere glucosio (un carboidrato) e ossigeno e attinge l'energia necessaria a scindere le molecole d'acqua dalla luce solare. Per tale processo, la richiesta energetica è molto alta e gli organismi autotrofi sono dotati di speciali organelli, ossia 'compartimenti cellulari', chiamati cloroplasti, in cui sono presenti enzimi specializzati, in grado di convertire l'energia luminosa in energia 'di scissione'.

Obiettivo della ricerca è  sfruttare il principio della fotosintesi, per scindere le molecole d'acqua utilizzando luce solare e generare idrogeno,  combustibile pulito. "Il risultato", sottolinea Bonchio, "resta uno degli obiettivi più ambiziosi e urgenti della ricerca volto a indirizzare il ciclo produttivo delle società avanzate e in via di sviluppo verso risorse energetiche rinnovabili e sostenibili dal punto di vista ambientale".

Il team di ricercatori ha messo a punto un catalizzatore multi-metallico, che rappresenta l'analogo artificiale del centro attivo presente in uno dei due enzimi fotosintetici nei cloroplasti, denominato 'fotosistema 2', in grado di scindere uno a uno i legami dell'acqua ed estrarne i protoni e gli elettroni (che formeranno l'idrogeno) liberando parallelamente l'ossigeno. "Il catalizzatore per essere funzionale sulla superficie di elettrodi", spiega Maurizio Prato, "viene combinato con  nanotubi di carbonio attraverso una strategia sintetica messa a punto nei laboratori padovani e triestini. Questi hanno caratteristiche di rigidezza, resistenza meccanica e conduzione tali da servire come nano-fili elettrici per veicolare il trasferimento degli elettroni dalla molecola d'acqua a una cella elettrochimica, dove si genera l'idrogeno".

"Nella cella elettrochimica", aggiunge la ricercatrice dell'Itm-Cnr, "il catalizzatore nano-strutturato, applicato sulla superficie dell'elettrodo,  conserva la stessa efficienza del sistema isolato ed è in grado di lavorare per molti cicli successivi senza apparente calo di attività. Un aspetto che, in un sistema artificiale dove non è possibile sostituire costantemente il catalizzatore, è fondamentale".

Il catalizzatore sintetico è inoltre perfettamente solubile in acqua e attivabile dalla luce grazie a cosiddetti sensibilizzatori antenna, caratteristiche che rendono concreta la prospettiva della costruzione di un generatore di idrogeno ad alta efficienza che impieghi acqua e energia solare. "Questo nuovo sistema molecolare", conclude Bonchio, "trasferisce elettroni con velocità di almeno due ordini di grandezza superiore alle soluzioni proposte finora, requisito essenziale per andare allo stesso passo della radiazione luminosa".

Barbara Pittaluga

Fonte: Marcell Bonchio, Istituto per la tecnologia delle membrane, Padova , email marcella.bonchio@unipd.it -