Gli scienziati di Cambridge sviluppano una foglia artificiale alimentata a energia solare per ridurre le emissioni dell'industria chimica / Cambridge Scientists Develop Solar-Powered Artificial Leaf to Reduce Chemical Industry Emissions

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori dell'Università di Cambridge hanno svelato una pionieristica "foglia semi-artificiale" in grado di convertire la luce solare, l'acqua e l'anidride carbonica in formiato, un combustibile chimico pulito.

La svolta nella tecnologia solare basata sulle foglie artificiali offre una potenziale via per decarbonizzare il settore chimico globale.

L'industria chimica è responsabile di circa il 6% delle emissioni globali di carbonio, producendo beni essenziali tra cui medicinali, fertilizzanti, materie plastiche ed elettronica. Ridurre l'impatto ambientale è ampiamente riconosciuto come un passo fondamentale per costruire un'economia circolare e sostenibile.

Imitare la fotosintesi per una chimica sostenibile

Guidato dal Professor Erwin Reisner del Dipartimento di Chimica Yusuf Hamied di Cambridge, il gruppo ha sviluppato un dispositivo bioibrido che combina polimeri organici fotoassorbenti con enzimi batterici. Il sistema imita la fotosintesi naturale, catturando l'energia solare per innescare reazioni chimiche senza ricorrere ai combustibili fossili.

"Se vogliamo costruire un'economia circolare e sostenibile, l'industria chimica rappresenta un problema grande e complesso che dobbiamo affrontare", ha affermato Reisner. "Dobbiamo trovare il modo di defossilizzare questo importante settore, che produce così tanti prodotti essenziali. È un'enorme opportunità se riusciamo a farlo nel modo giusto".

Materiali più puliti e funzionamento efficiente

Il dispositivo utilizza semiconduttori organici al posto dei materiali tossici od instabili comuni nei progetti precedenti. Ciò consente un funzionamento più sicuro ed efficiente e consente alla reazione di svolgersi in semplici soluzioni di bicarbonato senza additivi chimici insostenibili. Un enzima ausiliario, l'anidrasi carbonica, stabilizza il sistema, consentendo la scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno e la conversione dell'anidride carbonica in formiato.

Nei test di laboratorio, la luce solare è stata utilizzata con successo per produrre formiato, che è stato poi applicato in una reazione "domino" per sintetizzare un composto farmaceutico ad alta resa e purezza. La foglia artificiale ha funzionato ininterrottamente per oltre 24 ore, più che raddoppiando la durata operativa dei modelli precedenti.

"Questo dispositivo combina il meglio di entrambi i mondi: i semiconduttori organici sono sintonizzabili e non tossici, mentre i biocatalizzatori sono altamente selettivi ed efficienti", ha affermato la Dott.ssa Celine Yeung, co-prima autrice ed ex ricercatrice di dottorato nel laboratorio di Reisner.

Verso una piattaforma modulare per il carburante verde

Il gruppo ha inoltre evidenziato il design modulare, "a sandwich", del dispositivo, che ottimizza le interazioni tra i componenti su scala nanometrica e il sistema complessivo, migliorando l'efficienza nel trasferimento di elettroni e nella produzione di carburante.

Guardando al futuro, i ricercatori mirano a prolungare la durata operativa del dispositivo ed ad adattarlo alla produzione di diversi composti chimici, creando una piattaforma versatile per carburanti e prodotti chimici verdi.

"Abbiamo dimostrato che è possibile creare dispositivi alimentati ad energia solare che non sono solo efficienti e durevoli, ma anche privi di componenti tossici od insostenibili", ha affermato Reisner. "Questa potrebbe rappresentare una piattaforma fondamentale per la produzione di combustibili e prodotti chimici ecologici in futuro: è una vera opportunità per fare chimica in modo entusiasmante ed importante".

Con il supporto di Global Research Partners

La ricerca ha ricevuto il sostegno della Singapore Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), del Consiglio europeo della ricerca, della Swiss National Science Foundation, della Royal Academy of Engineering e di UK Research and Innovation (UKRI).

ENGLISH

Researchers at the University of Cambridge have unveiled a pioneering “semi-artificial leaf” capable of converting sunlight, water, and carbon dioxide into formate, a clean chemical fuel.

The breakthrough in artificial leaf solar technology offers a potential path to decarbonise the global chemical sector.

The chemical industry accounts for roughly 6% of global carbon emissions, producing essential goods including medicines, fertilizers, plastics, and electronics. Addressing its carbon footprint is widely recognised as a critical step in building a circular and sustainable economy.

Mimicking Photosynthesis For Sustainable Chemistry

Led by Professor Erwin Reisner of Cambridge’s Yusuf Hamied Department of Chemistry, the team developed a biohybrid device that combines light-absorbing organic polymers with bacterial enzymes. The system mimics natural photosynthesis, capturing solar energy to drive chemical reactions without relying on fossil fuels.

“If we’re going to build a circular, sustainable economy, the chemical industry is a big, complex problem that we must address,” said Reisner. “We’ve got to come up with ways to de-fossilize this important sector, which produces so many essential products. It’s a huge opportunity if we can get it right.”

Cleaner Materials And Efficient Operation

The device uses organic semiconductors instead of toxic or unstable materials common in previous designs. This enables safer, more efficient operation and allows the reaction to run in simple bicarbonate solutions without unsustainable chemical additives. A helper enzyme, carbonic anhydrase, stabilises the system, allowing water to be split into hydrogen and oxygen and carbon dioxide to be converted into formate.

In laboratory tests, sunlight was successfully used to produce formate, which was then applied in a “domino” reaction to synthesise a pharmaceutical compound with high yield and purity. The artificial leaf ran continuously for over 24 hours, more than doubling the operational lifespan of earlier models.

“This device combines the best of both worlds – organic semiconductors are tuneable and non-toxic, while biocatalysts are highly selective and efficient,” said Dr. Celine Yeung, co-first author and former PhD researcher in Reisner’s lab.

Toward A Modular Platform For Green Fuel

The team also highlighted the modular, “sandwich-like” design of the device, which optimises interactions between the nanoscale components and the overall system, improving efficiency in electron transfer and fuel production.

Looking ahead, the researchers aim to extend the device’s operational lifespan and adapt it for the production of different chemical compounds, creating a versatile platform for green fuels and chemicals.

“We’ve shown it’s possible to create solar-powered devices that are not only efficient and durable but also free from toxic or unsustainable components,” Reisner said. “This could be a fundamental platform for producing green fuels and chemicals in the future – it’s a real opportunity to do some exciting and important chemistry.”

Supported By Global Research Partners

The research received support from the Singapore Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), the European Research Council, the Swiss National Science Foundation, the Royal Academy of Engineering, and UK Research and Innovation (UKRI).

Da

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