Il silicio recuperato dai moduli fotovoltaici giunti a fine vita potrebbe trovare una seconda vita ben oltre il settore energetico. Un gruppo di ricercatori italiani ha infatti sviluppato un nuovo catalizzatore che utilizza questo materiale riciclato come supporto per nanoparticelle di palladio, aprendo la strada ad applicazioni ad alto valore aggiunto nell’industria chimica.
Lo studio è stato realizzato da ricercatori dell’Università degli Studi di Perugia, dell’Università Mediterranea di Reggio Calabria, del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) e dell’Università degli Studi di Firenze. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Sustainable Chemistry and Pharmacy nell’articolo “From waste to wealth: Silicon upcycling for sustainable palladium nanoparticle catalysts in cross-coupling reaction”.
Dal recupero dei pannelli fotovoltaici alla chimica sostenibile
Il progetto parte dal recupero del silicio di grado metallurgico (MG-Si), uno dei materiali ottenibili attraverso il riciclo dei moduli fotovoltaici a fine vita. Invece di destinarlo esclusivamente ad applicazioni di basso valore, i ricercatori hanno scelto di impiegarlo come supporto per nanoparticelle di palladio, realizzando un catalizzatore eterogeneo destinato alle reazioni di accoppiamento incrociato Suzuki-Miyaura.
Queste reazioni rappresentano uno dei processi più diffusi nella sintesi dei biarili, composti fondamentali nella produzione di numerosi principi attivi farmaceutici e prodotti agrochimici.
Secondo gli autori dello studio, questo approccio consente di valorizzare un materiale derivato dai rifiuti elettronici, trasformandolo in una risorsa per la chimica sostenibile. I biarili ottenuti attraverso questo processo costituiscono infatti elementi strutturali di molecole utilizzate in farmaci come il tepotinib, nel fungicida boscalid e nella famiglia di farmaci antipertensivi nota come sartani.
Un catalizzatore efficiente e stabile
Per realizzare il nuovo materiale, il team ha depositato nanoparticelle di palladio sul silicio recuperato dai pannelli fotovoltaici. Il catalizzatore è stato successivamente caratterizzato attraverso diverse tecniche analitiche, tra cui microscopia elettronica STEM, spettroscopia EDS, spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) e analisi di chemisorzione.
Le analisi hanno confermato che il palladio è presente prevalentemente sotto forma di nanoparticelle metalliche (Pd⁰), con una dimensione media di circa 4,8 nanometri e una distribuzione uniforme sulla superficie del silicio.
Le prove sperimentali hanno inoltre evidenziato che il catalizzatore è particolarmente efficace nelle reazioni Suzuki-Miyaura assistite da microonde, una tecnologia che permette di ridurre i tempi di reazione e limitare la formazione di punti caldi durante il processo.
Conversione completa in 40 minuti
I ricercatori hanno ottimizzato le condizioni operative individuando come soluzione più efficace una miscela composta da γ-valerolattone (GVL) e acqua nel rapporto 9:1, utilizzando pivalato di potassio come base e una concentrazione di palladio pari allo 0,5% molare.
Con questa configurazione è stato possibile ottenere una conversione completa della reazione in appena 40 minuti sotto irradiazione a microonde.
Il catalizzatore è stato quindi testato su un’ampia gamma di substrati, dimostrando la capacità di sintetizzare 24 differenti composti biarilici, compresi tre intermedi fondamentali per la produzione di sartani e boscalid.
Prestazioni elevate anche su scala maggiore
Lo studio ha valutato anche la possibilità di trasferire il processo a una scala superiore.
Durante la sintesi di 10 mmol di 4-formilbifenile, ottenuto dall’accoppiamento tra 4-bromobenzaldeide e acido fenilboronico, il sistema ha mantenuto prestazioni elevate, raggiungendo una resa isolata del 97%.
Gli autori riportano inoltre un fattore E pari a 2,6 e un fattore E⁺, relativo al consumo energetico del processo, pari a 35,9.
Riciclabilità e minore impatto ambientale
Uno degli aspetti più interessanti emersi dalla ricerca riguarda la durata del catalizzatore. Il materiale Pd/Si ha infatti mantenuto prestazioni elevate per sei cicli consecutivi di utilizzo.
Durante i primi cinque cicli il rilascio di palladio è rimasto estremamente contenuto, oscillando tra 0,6 e 0,1 ppm, mentre solo al sesto ciclo è stato osservato un incremento più significativo.
Parallelamente, il gruppo di ricerca ha effettuato una valutazione del ciclo di vita confrontando il nuovo supporto ottenuto dal riciclo dei moduli fotovoltaici con il silicio vergine e con i tradizionali supporti a base di carbone attivo.
I risultati evidenziano come il riutilizzo del silicio proveniente dai pannelli fotovoltaici possa contribuire a ridurre l’impatto ambientale del processo, dimostrando il potenziale dell’upcycling dei materiali provenienti dalla filiera del fotovoltaico e offrendo un ulteriore esempio di economia circolare applicata alle tecnologie per la transizione energetica.
