OBIETTIVI Tra le possibili strade per convertire l'energia solare (in calore, elettricità o carburanti chimici), la più interessante, a causa della sua peculiare capacità di immagazzinamento, è la conversione in carburanti chimici ("fotosintesi artificiale"). Tra le varie razioni chimiche in grado di generare combustibile, la dissociazione dell'acqua per via fotochimica è certamente la più allettante sia da un punto di vista ambientale che tecnologico. Attualmente le ricerche condotte in questa direzione possono essere considerate come "bio-ispirate" in quanto prendono come esempio i principali motivi funzionali naturali con lo scopo di trasferirli al livello artificiale. In particolare, gli organismi foto sintetici naturali hanno sviluppato sottosistemi funzionali distinti per (i) raccogliere la luce ("unità antenna"), (ii) convertire l'energia luminosa (unità per la separazione di carica o "centri di reazione"), e (iii) immagazzinare questa energia in combustibili cineticamente stabili (catalizzatori redox multi-elettronici). Gli obbiettivi di questo progetto di ricerca sono (i) realizzare ulteriori progressi nel disegno, nella sintesi e nella caratterizzazione fotofisica di unità funzionali artificiali di questo tipo, e (ii) l'integrare tali funzioni in sistemi più complessi come ulteriore passo verso la creazione di dispositivi per la fotosintesi artificiale. SFIDE SCIENTIFICHE Da un punto di vista chimico, le unità funzionali sono sistemi supramolecolari nei quali un certo numero di adatti componenti molecolari (cromofori, luminofori, donatori ed accettori di elettroni) sono connesse per mezzo di legami covalenti e/o di coordinazione. Per funzioni come raccogliere la luce (effetto antenna) e la separazione di carica fotoindotta, la direzionalità del flusso di energia e/o di elettroni può essere programmata attraverso la sintesi. Questo richiede una precisa organizzazione dei diversi componenti molecolari nella dimensione dello spazio e dell'energia nonché un controllo preciso sulla cinetica dei singoli processi elementari (decadimento degli stati eccitati, trasferimento di energia, trasferimento di elettroni). Anche lo sviluppo di catalizzatori multi-elettronici richiede una appropriata organizzazione spaziale dei centri redox e una precisa modulazione del loro grado di accoppiamento elettronico (catalizzatori omogenei) o un accurato controllo della morfologia e delle proprietà della superficie (catalisi eterogenea). Infine, per scopi di utilizzazione pratica, le unità funzionali devono essere ulteriormente organizzate in strutture di ordine più alto, principalmente interfacciandole con superfici solide (di metalli o di semiconduttori). UNITA' DI RICERCA, COMPETENZE, RUOLI Questo progetto è chiaramente interdisciplinare, quindi richiede la cooperazione tra unità di ricerca con competenze, sia scientifiche che sperimentali, diverse e complementari. Riguardo ai sistemi chimici da utilizzare, le singole unità di ricerca contribuiranno ciascuna secondo le proprie specifiche peculiarità: strutture supramolecolari dendrimeriche con singole unità basate su complessi metallici (UR Messina), su cromofori organici (UR Bologna); complessi binucleari e particelle di ossidi nano dimensionate per l'accumulo reversibile di più elettroni (UR Messina); sistemi multicromoforici con architettura tridimensionale e complessi coniugati metallo porfirine (UR Trieste); diadi donatore-accettore e triadi per la separazione di carica (UR Ferrara); sistemi molecolari e supramolecolari adsorbiti su superfici (UR Catania). Per quanto riguarda le tecniche strumentali, la UR di Trieste è particolarmente attrezzata per la caratterizzazione strutturale di sistemi supramolecolari complessi via NMR e diffrazione a raggi X; la UR di Messina per la caratterizzazione elettrochimica; la UR di Bologna per la caratterizzazione fotofisica; la UR di Catania per le tecniche di caratterizzazione di superfici; la UR di Ferrara per l'osservazione di specie transienti mediante spettroscopia veloce e ultraveloce. RISULTATI ATTESI I risultati che ci si aspetta da questo progetto di ricerca sono: (a) sostanziali conoscenze e capacità di controllo dei processi elementari di trasferimento di energia e elettroni (b) conoscenze fondamentali sul comportamento di specie eccitate su superfici metalliche o di semiconduttori (c) nuovi e più efficienti sistemi antenna, sistemi per la separazione di carica, e catalizzatori redox multi-elettronici (d) esempi dimostrativi di sistemi integrati per la generazione di combustibile chimico.
PRIN- "SISTEMI SUPRAMOLECOLARI PER LA CONVERSIONE DELL'ENERGIA SOLARE" (Coord. Naz. F. Scandola) Trasferimento fotoindotto di energia e di elettroni in sistemi supramolecolari per la conversione dell'energia solare
SCANDOLA, Franco
2008
Abstract
OBIETTIVI Tra le possibili strade per convertire l'energia solare (in calore, elettricità o carburanti chimici), la più interessante, a causa della sua peculiare capacità di immagazzinamento, è la conversione in carburanti chimici ("fotosintesi artificiale"). Tra le varie razioni chimiche in grado di generare combustibile, la dissociazione dell'acqua per via fotochimica è certamente la più allettante sia da un punto di vista ambientale che tecnologico. Attualmente le ricerche condotte in questa direzione possono essere considerate come "bio-ispirate" in quanto prendono come esempio i principali motivi funzionali naturali con lo scopo di trasferirli al livello artificiale. In particolare, gli organismi foto sintetici naturali hanno sviluppato sottosistemi funzionali distinti per (i) raccogliere la luce ("unità antenna"), (ii) convertire l'energia luminosa (unità per la separazione di carica o "centri di reazione"), e (iii) immagazzinare questa energia in combustibili cineticamente stabili (catalizzatori redox multi-elettronici). Gli obbiettivi di questo progetto di ricerca sono (i) realizzare ulteriori progressi nel disegno, nella sintesi e nella caratterizzazione fotofisica di unità funzionali artificiali di questo tipo, e (ii) l'integrare tali funzioni in sistemi più complessi come ulteriore passo verso la creazione di dispositivi per la fotosintesi artificiale. SFIDE SCIENTIFICHE Da un punto di vista chimico, le unità funzionali sono sistemi supramolecolari nei quali un certo numero di adatti componenti molecolari (cromofori, luminofori, donatori ed accettori di elettroni) sono connesse per mezzo di legami covalenti e/o di coordinazione. Per funzioni come raccogliere la luce (effetto antenna) e la separazione di carica fotoindotta, la direzionalità del flusso di energia e/o di elettroni può essere programmata attraverso la sintesi. Questo richiede una precisa organizzazione dei diversi componenti molecolari nella dimensione dello spazio e dell'energia nonché un controllo preciso sulla cinetica dei singoli processi elementari (decadimento degli stati eccitati, trasferimento di energia, trasferimento di elettroni). Anche lo sviluppo di catalizzatori multi-elettronici richiede una appropriata organizzazione spaziale dei centri redox e una precisa modulazione del loro grado di accoppiamento elettronico (catalizzatori omogenei) o un accurato controllo della morfologia e delle proprietà della superficie (catalisi eterogenea). Infine, per scopi di utilizzazione pratica, le unità funzionali devono essere ulteriormente organizzate in strutture di ordine più alto, principalmente interfacciandole con superfici solide (di metalli o di semiconduttori). UNITA' DI RICERCA, COMPETENZE, RUOLI Questo progetto è chiaramente interdisciplinare, quindi richiede la cooperazione tra unità di ricerca con competenze, sia scientifiche che sperimentali, diverse e complementari. Riguardo ai sistemi chimici da utilizzare, le singole unità di ricerca contribuiranno ciascuna secondo le proprie specifiche peculiarità: strutture supramolecolari dendrimeriche con singole unità basate su complessi metallici (UR Messina), su cromofori organici (UR Bologna); complessi binucleari e particelle di ossidi nano dimensionate per l'accumulo reversibile di più elettroni (UR Messina); sistemi multicromoforici con architettura tridimensionale e complessi coniugati metallo porfirine (UR Trieste); diadi donatore-accettore e triadi per la separazione di carica (UR Ferrara); sistemi molecolari e supramolecolari adsorbiti su superfici (UR Catania). Per quanto riguarda le tecniche strumentali, la UR di Trieste è particolarmente attrezzata per la caratterizzazione strutturale di sistemi supramolecolari complessi via NMR e diffrazione a raggi X; la UR di Messina per la caratterizzazione elettrochimica; la UR di Bologna per la caratterizzazione fotofisica; la UR di Catania per le tecniche di caratterizzazione di superfici; la UR di Ferrara per l'osservazione di specie transienti mediante spettroscopia veloce e ultraveloce. RISULTATI ATTESI I risultati che ci si aspetta da questo progetto di ricerca sono: (a) sostanziali conoscenze e capacità di controllo dei processi elementari di trasferimento di energia e elettroni (b) conoscenze fondamentali sul comportamento di specie eccitate su superfici metalliche o di semiconduttori (c) nuovi e più efficienti sistemi antenna, sistemi per la separazione di carica, e catalizzatori redox multi-elettronici (d) esempi dimostrativi di sistemi integrati per la generazione di combustibile chimico.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
