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Un nano-sandwich potrebbe trasformare la CO₂ usando il Sole
Un gruppo dell'Università Carolina di Praga, coordinato dalla chimica fisica Pavla Eliášová, ha sviluppato un elettrodo multistrato che nei test ha favorito la conversione della CO₂ in etanolo sfruttando soprattutto la luce. Lo studio, pubblicato su Advanced Energy Materials, descrive un'efficienza da energia solare a etanolo del 2,74% dopo due ore: un primato, secondo gli autori, tra i sistemi acquosi basati su rame e ossidi di rame con elettroliti inorganici. Il risultato resta però confinato alla scala di laboratorio.
Il dispositivo chiave è un fotocatodo fotoelettrochimico costruito come un sandwich nanometrico. La base di ossido rameoso, Cu₂O, assorbe bene la luce visibile ed è economica, ma in acqua tende a fotocorrodersi rapidamente. Sopra di essa i ricercatori hanno depositato uno strato conduttivo di MXene Ti₃C₂Tₓ, un materiale bidimensionale a base di carburo di titanio, trattato termicamente in modo controllato.
Durante il riscaldamento si forma sulla superficie del MXene un velo di diossido di titanio, TiO₂. Questa copertura svolge due compiti: crea una giunzione che aiuta a separare le cariche generate dalla luce e offre siti attivi a contatto con l'elettrolita saturo di CO₂. Il cuore conduttivo del MXene trasferisce gli elettroni, limitandone la ricombinazione e proteggendo l'ossido rameoso. Uno strato di TiO₂ troppo spesso, al contrario, aumenta la resistenza e peggiora le prestazioni.
Nella configurazione ottimizzata, con una copertura di MXene pari al 50% in peso rispetto al Cu₂O, il sistema ha raggiunto una efficienza solare-etanolo del 2,74% e un tasso di produzione di 8,4 µmol cm⁻² h⁻¹ dopo due ore. La cella era illuminata in condizioni controllate e funzionava con un potenziale elettrico applicato: gli autori precisano che la luce era la forza motrice principale, ma che il bias elettrico forniva un contributo aggiuntivo.
La copertura completa ha migliorato soprattutto la durata. Dopo sei ore il fotocatodo conservava il 76% della produzione misurata dopo due ore, pari a 6,37 µmol cm⁻² h⁻¹; dopo dieci ore produceva ancora 4,50 µmol cm⁻² h⁻¹. Nelle condizioni provate, l'etanolo è stato l'unico prodotto di riduzione della CO₂ rilevato nella fase liquida, un vantaggio potenziale per la separazione rispetto ai processi che generano miscele. Le analisi hanno combinato gascromatografia e risonanza magnetica nucleare.
I controlli rendono il quadro più solido, ma introducono anche una cautela. In atmosfera di argon, senza CO₂, non è stato rilevato etanolo; tuttavia la marcatura isotopica con carbonio-13 non ha permesso di attribuire tutto il carbonio del prodotto esclusivamente alla CO₂ gassosa immessa. Secondo i ricercatori, CO₂ disciolta e bicarbonato formano un serbatoio reattivo comune, soggetto a rapido scambio isotopico. La conversione va quindi descritta tenendo conto dell'intero equilibrio chimico dell'elettrolita.
Prima di parlare di combustibile solare industriale servono prove molto più lunghe, superfici maggiori e test sotto luce naturale, oltre a una valutazione dell'energia richiesta dal bias elettrico e dalla preparazione dei materiali. Trasformare CO₂ in etanolo non equivale inoltre a rimuoverla permanentemente dall'atmosfera: se il combustibile viene bruciato, il carbonio torna in circolo. La prospettiva è piuttosto quella di ridurre l'impiego di carbonio fossile, a condizione che efficienza, durata e bilancio energetico migliorino.
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