Nanostrutture porose per la fotosintesi artificiale. Premio Internazionale “Lombardia è Ricerca”: Enhancing Photosynthesis

Progettare e costruire materiali di natura sintetica che possano utilizzare la luce per realizzare reazioni come la scissione dell’acqua o la riduzione della CO2 è vitale per fornire un metodo alternativo e sostenibile di produzione dell’energia. Nella fotosintesi artificiale, l’energia solare viene catturata e l’acqua e la CO2 vengono ridotte a combustibili chimici insieme all’ossidazione dell’acqua in O2. La fotosintesi artificiale può quindi non soltanto diminuire la quantità di CO2 nell’atmosfera, ma anche produrre combustibili ad alta densità energetica comodi da trasportare e immagazzinare, in grado di restituire energia in modo flessibile e delocalizzato, esente da emissioni di carbonio. Un sistema di fotosintesi artificiale deve includere in una singola architettura componenti fotosensibili per la cattura della luce e catalizzatori per l’ossidazione dell’acqua e la riduzione della CO2. Tuttavia, a oggi è ancora una sfida fabbricare un tale sistema per la difficoltà di integrare specie catalitiche multifunzionali in un unico dispositivo.

I materiali porosi rappresentano una possibile soluzione a questa sfida, considerata la loro versatilità nel formare strutture ad alta area superficiale altamente specifiche per la cattura della CO2 e supportare siti catalitici per la sua conversione (Fig. 1).

In questo contesto si inserisce il progetto Enhancing Photosynthesis che si prefigge di aumentare l’efficienza fotosintetica in ambiente naturale e artificiale. Il progetto si colloca nell’ambito del Premio Internazionale “Lombardia è Ricerca”, quest’anno assegnato per gli studi sull’“energia pulita dalla fotosintesi artificiale ispirata ai meccanismi della natura” a Pierre Joliot (Collège de France), Marcella Bonchio (Università di Padova) e Markus Antonietti (Max Planck Institute), i quali hanno individuato qualificati ricercatori lombardi, con competenze che vanno dall’ambito biologico alla scienza dei materiali, cui destinare l’importo di 700.000 € per contribuire al progetto. 

La Prof. Silvia Bracco del Dipartimento di Scienza dei Materiali, coordinatrice dell’unità di ricerca PorousMat Lab (Fig. 2, 3), si occuperà della cattura e trasformazione della CO2 in sistemi nanoporosi innovativi ad alta efficienza. I materiali sono infatti fabbricati per auto-assemblaggio molecolare a formare architetture cristalline estremamente selettive con porosità permanente che possono supportare siti catalitici per la conversione della CO2. 

Il gruppo di ricerca vanta un’esperienza ormai consolidata nell’ambito della preparazione di materiali nanostrutturati porosi per lo stoccaggio e l’adsorbimento selettivo di gas (CO2, Xe, H2 e CH4) e della creazione di strutture organometalliche (MOF) fluorescenti e polimeri porosi con elementi foto-responsivi.

Le strategie di sintesi ottimizzate negli ultimi anni e la strumentazione avanzata, dedicata alla caratterizzazione di tali materiali, verranno applicate nel progetto “Enhancing Photosynthesis” con l’obiettivo di creare strutture artificiali complesse in grado di interagire con la luce e di ospitare centri di reazione per studiare i fenomeni di energy transfer ed electron transfer in sistemi artificiali, in stretta collaborazione con le altre unità coinvolte (UNIMI, UNIPV, POLIMI, CNR).