Ingrandisci / Popeye prende una lattina di spinaci in un'immagine di un film di Popeye non identificato, c. 1945. Gli scienziati dell'American University credono che il verde frondoso abbia il potenziale per aiutare ad alimentare le future celle a combustibile.
Paramount Pictures/Per gentile concessione di Getty Image
Quando si tratta di realizzare celle a combustibile efficienti, è tutta una questione di catalizzatore. Un buon catalizzatore si tradurrà in reazioni chimiche più veloci ed efficienti e, quindi, in un aumento della produzione di energia. Le celle a combustibile di oggi si basano tipicamente su catalizzatori a base di platino. Ma gli scienziati dell'American University credono che gli spinaci, considerati un "superalimento" perché sono così ricchi di sostanze nutritive, costituirebbero un eccellente catalizzatore rinnovabile ricco di carbonio, sulla base dei loro esperimenti di prova del principio descritti in un recente articolo pubblicato sulla rivista ACS Omega. Popeye approverebbe sicuramente.
Gli spinaci hanno una storia sorprendentemente lunga nella scienza; l'idea di sfruttare le sue proprietà fotosintetiche ed elettrochimiche esiste da circa 40 anni. Gli spinaci sono abbondanti, economici, facili da coltivare e ricchi di ferro e azoto. Molti (molti!) anni fa, come giovane scrittore scientifico in erba, ho partecipato a una conferenza del fisico Elias Greenbaum (allora con Oak Ridge National Labs) sulla sua ricerca sugli spinaci. In particolare, era interessato ai "centri di reazione" a base di proteine nelle foglie di spinaci che sono il meccanismo di base per la fotosintesi, il processo chimico mediante il quale le piante convertono l'anidride carbonica in ossigeno e carboidrati.
Esistono due tipi di centri di reazione. Un tipo, noto come fotosistema 1 (PS1), converte l'anidride carbonica in zucchero; l'altro, il fotosistema 2 (PS2), scinde l'acqua per produrre ossigeno. C'è un grande interesse scientifico per la PS1, che si comporta come una minuscola batteria fotosensibile, assorbendo energia dalla luce solare ed emettendo elettroni con un'efficienza quasi del 100%. I PS1 sono in grado di generare un flusso di elettricità indotto dalla luce in frazioni di secondo.
Certo, non è un'enorme quantità di energia, ma è sufficiente per far funzionare un giorno piccole macchine molecolari. Il lavoro di Greenbaum era promettente per la costruzione di retine artificiali, ad esempio, sostituendo le cellule retiniche danneggiate con PS1 sensibili alla luce per ripristinare la vista in coloro che soffrono di una condizione degenerativa dell'occhio. Poiché i PS1 possono essere modificati per comportarsi come diodi, passando la corrente in una direzione ma non nell'altra, potrebbero essere utilizzati per costruire porte logiche per un rudimentale processore del computer se si potessero collegarli tramite fili delle dimensioni di una molecola fatti di nanotubi di carbonio.
Greenbaum è solo uno dei tanti ricercatori interessati agli spinaci. Ad esempio, nel 2012, gli scienziati della Vanderbilt University hanno combinato PS1 con silicio per ottenere livelli attuali quasi 1.000 volte superiori a quelli raggiunti quando si depositano i centri proteici sui metalli, insieme a un modesto aumento del voltaggio. L'obiettivo era alla fine costruire celle solari "bioibride" in grado di competere con le celle solari in silicio standard in termini di tensione e livelli di corrente.
Gli spinaci hanno anche altre proprietà interessanti oltre ai suoi centri di reazione. Ad esempio, un articolo del 2014 di ricercatori cinesi ha riferito di esperimenti per raccogliere carbone attivo dagli spinaci per gli elettrodi dei condensatori, mentre proprio lo scorso dicembre un altro gruppo di scienziati cinesi ha esaminato il potenziale della produzione di nanocompositi a base di spinaci per fungere da fotocatalizzatori. Annuncio pubblicitario
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Schema della procedura per la preparazione di nanofogli di carbonio derivati dagli spinaci.
Xioajun Liu et al./ACS Omega
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Immagini SEM e TEM dei nanosheet.
Xioajun Liu et al./ACS Omega
Gli spinaci hanno anche mostrato risultati promettenti come catalizzatori nella tecnologia delle celle a combustibile. La prima interpretazione brevettata di Greenbaum sull'uso degli spinaci come catalizzatore prevedeva la spruzzatura di platino metallico sui PS1 per produrre idrogeno puro per alimentare le celle a combustibile. Il verde frondoso potrebbe essere un catalizzatore meno tossico ed economico per la reazione di riduzione dell'ossigeno nelle celle a combustibile, secondo gli autori di questo ultimo articolo, che prende una strada diversa, producendo nanofogli ricchi di carbonio con gli spinaci.
Il primo passo del processo degli scienziati dell'UA è simile a quello impiegato da Greenbaum tanti anni fa. Si inizia con un comune frullatore da cucina, pieno di foglie di spinaci appena lavate e poi frullate. Il team dell'AU ha liofilizzato il succo risultante e lo ha macinato in una polvere fine con un mortaio e un pestello. Successivamente, hanno aggiunto sali (cloruro di sodio, cloruro di potassio) e un pizzico di melamina per promuovere il contenuto di azoto. "A questo punto, [our method] ci richiede di aggiungere un po' più di azoto nel materiale di partenza, perché anche se [spinach] ha molto azoto per cominciare, durante il processo di preparazione parte di questo azoto si perde", ha detto a Spectrum il coautore ShouZhong Zou, professore di chimica all'Università americana.
I sali sono fondamentali per produrre pori nei nanofogli finali, aumentando così la superficie disponibile per ottimizzare le reazioni chimiche. "Anche se li chiamiamo nanofogli, quando sono impilati insieme, non è come una risma di carta molto solida", ha spiegato Zou a Spectrum. "Dobbiamo renderlo abbastanza poroso da poter utilizzare tutti i siti attivi".
Infine, il team dell'AU ha utilizzato un paio di cicli di pirolisi (un processo di decomposizione termica) a temperature di 900 gradi Celsius per produrre i nanofogli ricchi di carbonio.
Hanno scoperto che i catalizzatori derivati dagli spinaci erano più efficienti di quelli a base di platino. "Questo lavoro suggerisce che si possono realizzare catalizzatori sostenibili per una reazione di riduzione dell'ossigeno dalle risorse naturali", ha affermato Zou. “Il metodo che abbiamo testato può produrre catalizzatori altamente attivi a base di carbonio dagli spinaci, che è una biomassa rinnovabile. In effetti, riteniamo che superi le prestazioni dei catalizzatori al platino commerciali sia in attività che in stabilità".
Ovviamente, questa è solo una prova di principio; ciò che funziona bene in un ambiente di laboratorio ideale non si trasferisce necessariamente facilmente in un'applicazione pratica del mondo reale. Il prossimo passo è costruire un prototipo completo che utilizzi il catalizzatore a base di spinaci in una vera cella a combustibile a idrogeno. Ciò richiederà la collaborazione con altri laboratori, secondo Zou. Gli spinaci potrebbero anche essere un buon catalizzatore per le batterie metallo-aria utilizzate per alimentare i veicoli elettrici.
DOI: ACS Omega, 2020. 10.1021/acsomega.0c02673 (Informazioni sui DOI).
