Conversione della biomassa, un nuovo processo sostenibile grazie a nanomateriali e infrarossi
Trasformare gli scarti della biomassa in composti chimici ad alto valore aggiunto rappresenta una delle principali sfide della chimica sostenibile. L’idrolisi della biomassa genera soprattutto zuccheri, che possono essere convertiti in un’ampia gamma di composti chimici impiegati nella produzione di materiali di uso quotidiano, come tessuti, polimeri, solventi, cementi, vernici e packaging. La valorizzazione della biomassa rende possibile la sostituzione di molecole di origine fossile (petrolio), che sono fondamentali nell’industria con derivati di origine biologica. Tuttavia, questa promettente innovazione “verde” dell’industria chimica è oggi rallentata dalla mancanza di catalizzatori e tecnologie di trasformazione sufficientemente efficienti.
Una sfida che, per la prima volta, potrebbe essere superata grazie alla luce. Uno studio appena pubblicato su Nature Catalysis dimostra che, utilizzando nano-catalizzatori plasmonici, è possibile attivare l’ossigeno molecolare e realizzare ossidazioni selettive senza ricorrere alle alte temperature o alle forti basi tradizionalmente necessarie per ossidare i composti derivati dagli zuccheri.
Si tratta di un risultato di grande rilevo, ottenuto nell’ambito di una collaborazione internazionale tra fisici, chimici e ingegneri dei materiali coordinata dal prof. Alberto Naldoni (Dipartimento di Chimica, Università di Torino) e dai gruppi di ricerca del prof. Alexander Govorov (Ohio University, USA), prof. Paolo Fornasiero (Università di Trieste), prof. Michal Otyepka (Palacký University Olomouc, Repubblica Ceca) e del prof. Haibo Zhu (Fuzhou University, Cina).
Il cuore della scoperta è un particolare fotocatalizzatore plasmonico formato da nanocubi di nitruro di titanio (TiN) ricoperti da nanoparticelle bimetalliche di rutenio (Ru) e platino (Pt). Una struttura “antenna–reattore”: il TiN assorbe la luce nel vicino infrarosso (NIR), generando “hot electrons”, elettroni molto energetici; le nanoparticelle bimetalliche sfruttano questi elettroni per attivare l’ossigeno molecolare e guidare la reazione chimica.
“I nanomateriali plasmonici – chiarisce il Prof. Alberto Naldoni – sono materiali molto piccoli, mille volte più piccoli dello spessore di un capello umano capaci di interagire con la luce in modo straordinario. Concentrano la luce solare in un nano-spazio creando così effetti unici (elettroni ad alta energia, campi elettromagnetici molto intensi, e alte temperature), che possono essere sfruttati per sviluppare una chimica sostenibile coadiuvata solo dall’energia della luce”.
Il sistema riesce così a ossidare selettivamente il 5-idrossimetilfurfurale (HMF) – una molecola chiave ottenuta dagli zuccheri della biomassa – fino ad acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), un mattoncino fondamentale per produrre bioplastiche (sostituto naturale del PET usato comunemente in tutte le bottiglie e non solo). Il processo sviluppato procede senza aggiungere basi, a pressione atmosferica di ossigeno e usando soltanto la luce come fonte di energia.
Attraverso una combinazione di dati sperimentali e computazionali è stato scoperto un nuovo meccanismo di reazione. In questo caso, l’ossigeno – responsabile per l’ossidazione dei substrati molecolari – non viene attivato attraverso i radicali liberi, come avviene nei (foto)catalizzatori tradizionali. Invece, si forma un complesso metallo-ossigeno “caricato”, reso più reattivo dagli elettroni caldi generati dal TiN. Questo complesso permette di accelerare il passaggio più difficile dell’intera reazione, migliorandone selettività e velocità. Nelle condizioni sperimentali ottimali, il catalizzatore TiN–RuPt raggiunge 100% di conversione di HMF e ≈100% di selettività verso FDCA, unita ad un’elevata stabilità anche dopo numerosi cicli di utilizzo. Un risultato decisamente superiore a quello dei catalizzatori classici, che richiedono solitamente temperature sopra 100 °C, l’uso di condizioni fortemente alcaline e pressioni elevate di ossigeno.
Secondo lo studio, l’interazione tra luce NIR e nanomateriali plasmonici potrebbe essere sfruttata anche per molte altre trasformazioni chimiche basate sulla biomassa. L’approccio “antenna–reattore” permette infatti di combinare assorbimento efficiente della luce, generazione controllata di calore locale, attivazione non convenzionale dell’ossigeno. Una piattaforma concettuale nuova, con potenziali ricadute per la produzione sostenibile di solventi, additivi e biopolimeri.
“Questo lavoro – conclude il prof. Naldoni – mostra che, grazie ai fotocatalizzatori plasmonici, possiamo non solo svolgere reazioni chimiche in modo sostenibile, ma anche ripensare radicalmente il modo in cui le molecole interagiscono con la superficie dei catalizzatori e si trasformano in prodotti utili per l’industria. Apriamo una strada alternativa per trasformare la biomassa in molecole utili senza condizioni estreme. È un passo avanti importante verso una chimica più pulita, efficiente e compatibile con le esigenze della transizione energetica”.
Lo studio è stato supportato dal progetto CH4.0 del Dipartimento di Chimica dell’Università di Torino finanziato dal programma del Ministero dell'Università e della Ricerca (MUR) relativo ai Dipartimenti di Eccellenza 2023-2027 e dal progetto RESOLCAT del programma PRIN-PNRR 2022 del MUR.