NANOSOLAR: NANOSISTEMI PER LA FOTOSINTESI ARTIFICIALE E LA PRODUZIONE DI IDROGENO MEDIANTE SCISSIONE FOTOCATALITICA DELL'ACQUA

NANOSOLAR è un progetto quadriennale mirato ad ottenere la scissione fotochimica dell'acqua, per permettere la produzione efficiente e pienamente sostenibile di idrogeno. Si basa su una serie di risultati fondamentali ottenuti da partner del progetto e pubblicati recentemente in riviste ad alto impatto. L'insieme delle Unità di Ricerca garantisce al progetto un livello al top delle competenze internazionali nei campi specifici, con la maggior parte dei team già integrati in collaborazioni straordinariamente produttive. L'innovazione tecnologica e scientifica del progetto è la progettazione e fabbricazione di una cella fotoelettrochimica (PEC), integrante due foto-elettrodi nanostrutturati totalmente nuovi che garantirà l'evoluzione parallela di ossigeno ed idrogeno sotto irradiazione visibile. L'approccio al problema è totalmente innovativo, ed è ispirato al meccanismo della fotosintesi naturale, con riferimento allo "schema Z", dove due macchine molecolari (gli enzimi PSII e PSI) operano sinergicamente, utilizzando la luce solare per rimuovere elettroni, attraverso l'ossidazione, da una molecola d'acqua e alimentare con essi il processo di riduzione che produce specie chimiche ad alta energia. NANOSOLAR si prefigge di realizzare tale processo tramite la progettazione di nanostrutture capaci di promuovere reazioni chimiche attivate dalla luce all’interfaccia con elettrodi innovativi, per un’efficiente conversione di energia solare ad idrogeno. Il punto chiave non è replicare i sistemi naturali, troppo complessi e strutturalmente deboli, ma piuttosto mimarne i principi all'interno di nanostrutture artificiali semplici, più robuste ed efficienti. Al cuore di questo progetto ci sono la sintesi, la nanoorganizzazione gerarchica e lo studio della chimica di superficie di moduli molecolari progettati per compiere le funzioni chiave della fotosintesi: antenne in grado di immagazzinare la luce, centri di separazione di carica, catalizzatori redox, ossidi metallici nanostrutturati di tipo n e p e nanostrutture di carbonio; questi ultimi due sistemi hanno la funzione di connettere elettronicamente la parte ossidativa alla riduttiva della PEC, svolgendo il ruolo che nei sistemi naturali è giocato dai componenti di membrana che uniscono PSII a PSI. L’ingegneria di questi diversi componenti in un unico dispositivo funzionale pone una grande sfida per la chimica contemporanea ed è sicuramente uno degli obiettivi più ambiziosi della scienza dei materiali. Lo scopo finale di NANOSOLAR è di aggiungere decisiva conoscenza per la preparazione di materiali capaci di operare la scissione dell'acqua fotoindotta, attraverso un approccio bottom up che parte dalla progettazione molecolare per evolvere in architetture nanodimensionali immobilizzate su superfici funzionali (foto-elettrodi). NANOSOLAR sfrutta le competenze uniche dei gruppi partecipanti nei campi: (1) catalisi di scissione dell’acqua; (2) progettazione di antenne con proprietà di separazione di carica fotoindotta; (3) nanopiattaforme inorganiche, organiche o ibride, compresi semiconduttori e/o nanostrutture di carbonio; (4) caratterizzazione fotofisica dei componenti molecolari e dei sistemi complessi fotocatalitici; (5) chimica di superficie ed elettrochimica avanzata. L’ottimizzazione di ogni componente molecolare, la modellazione dell’interfaccia nanoassemblata e infine delle superfici e degli elettrodi, convergeranno nell’assemblaggio del prototipo della cella NANOSOLAR. In quest’ottica, gli obiettivi a lungo e medio termine di NANOSOLAR rappresentano un argomento emergente e interdisciplinare al crocevia tra la catalisi omogenea e di superficie, le scienze dei materiali e le nanotecnologie.