Ambiente e chimica: dal sole la strada per un’industria chimica sostenibile

Una ricerca guidata dall’Università di Trieste e pubblicata sulla rivista scientifica Science Advances, ha messo a punto un materiale a base di nitruro di carbonio che ha caratteristiche adatte ad un utilizzo per tecniche di fotocatalisi: sfruttando l’energia proveniente da una radiazione luminosa, il materiale attiva reazioni chimiche che portano alla formazione di molecole ad alto valore industriale senza l’utilizzo di metalli tossici e costosi. Si tratta di molecole di grande importanza, perché potenzialmente utili a migliorare le prestazioni dei dispositivi a cristalli liquidi, come gli schermi di PC, TV o smartphone. Evitare l’uso di metalli tossici e costosi e sfruttare la luce solare sono passi avanti importanti verso l’introduzione nell’industria chimica di nuovi processi sostenibili e dai costi moderati.

Lo studio, sostenuto da finanziamenti pubblici italiani, spagnoli ed europei, è frutto della collaborazione tra un team di ricercatori dell’Università di Trieste guidati da Michele Melchionna, ricercatore universitario,Giacomo Filippini, borsista post-dottorato, Maurizio Prato, professore ordinario di chimica organica e Paolo Fornasiero, professore ordinario di chimica generale e inorganica, e l’Università di Manchester (con il gruppo di ricerca di Carmine D’Agostino), gli istituti ICCOM-CNR di Firenze e IMEM-CNR di Parma (con Lucia Nasi) ed il CIC biomagune di San Sebastian in Spagna. 

“La nostra società è oggi chiamata a cambiare il suo stile di vita passando a un regime decisamente più sostenibile. Solo così potremo salvaguardare il nostro pianeta e assicurare un livello di vivibilità adeguato alle generazioni future.” – commenta Maurizio Prato, professore ordinario di chimica organica dell’ Università degli studi di Trieste– “Su questo l’industria chimica ha una grande responsabilità e sta facendo sforzi enormi per migliorare l’impatto dei processi di produzione,ma non basta. Una delle strade possibili è l’uso della luce solare, una fonte di energia pulita e inesauribile, in grado anche di innescare processi chimici. Con la tecnica che abbiamo messo a punto si utilizzano materiali in grado di assorbire la luce solare e trasformarla in un’altra forma di energia che viene poi convogliata verso le molecole dei reagenti, aiutandoli a trasformarsi nei prodotti finali.” 

I ricercatori hanno prodotto, a partire dal già noto nitruro di carbonio grafitico, tre materiali di prova, definiti am-CN, red-CN e ox-CN. Sfruttando le moderne tecniche analitiche, ne hanno studiato le proprietà morfologiche ed elettroniche, trovando risultati incoraggianti per il successivo esperimento di fotocatalisi: i tre materiali sono stati testati in una reazione modello e l’am-CN ha prodotto i risultati migliori. Ad ulteriore conferma dell’attività di questi materiali, è stato dimostrato che, in loro assenza, la reazione modello non si innesca. 
I ricercatori hanno quindi proseguito mettendo a punto un protocollo di sintesi per l’utilizzo dell’am-CN. La tecnica proposta permette di ottenere prodotti perfluorurati di grande interesse industriale: composti di questo tipo sono, ad esempio, sfruttati per migliorare le prestazioni dei dispositivi a cristalli liquidi. La reazione avviene a temperatura ambiente e senza l’utilizzo di catalizzatori metallici, sia sfruttando una specifica radiazione proveniente da un led blu, sia sfruttando la radiazione solare, con indubbi vantaggi di praticità e semplicità. Infine l’am-CN si è dimostrato stabile nel tempo, ancora attivo al termine dell’esperimento e quindi riciclabile, caratteristica fondamentale per un futuro utilizzo in industria.

Paolo Fornasiero, professore ordinario di chimica generale e inorganica dell’Università di Trieste sottolinea:“Questi materiali necessitano di una precisa struttura chimica e morfologica, e devono anche essere facilmente assemblabili, non tossici e poco costosi. La ricerca, infatti si sta spostando verso l’ingegnerizzazione di materiali a base di elementi facilmente reperibili come il carbonio, che sostituiscano metalli preziosi come platino, oro, argento. La combinazione di energia solare e di elementi semplici come carbonio, azoto e ossigeno, rende un processo industriale poco impattante sull’ambiente ene abbatte i costi. Le tecniche di fotocatalisi sono una risposta moderna e adeguata all’esigenza sempre più pressante di rendere l’industria chimica più sostenibile.”

La fotocatalisi

I processi di sintesi attivi oggi nell’industria chimica prevedono molto spesso l’utilizzo di catalizzatori, sostanze che intervengono sulla reazione, in modo che possa avvenire alle migliori condizioni di temperatura e pressione. Questi catalizzatori sono, normalmente, molecole o (nano)materiali basati su metalli rari come rodio o iridio, oppure tossici come il cromo. Le moderne ricerche in chimica industriale stanno cercando vie alternative che non prevedano l’utilizzo di metalli. La fotocatalisi è una di queste strade.