L'idrogeno è una fonte di energia alternativa che può essere prodotta da fonti rinnovabili di luce solare e acqua. Un gruppo di ricercatori giapponesi ha sviluppato un fotocatalizzatore che aumenta di dieci volte la produzione di idrogeno.

La scoperta è stata fatta da un gruppo di ricerca congiunto guidato dal Professore Associato TACHIKAWA Takashi (Molecular Photoscience Research Center, Kobe University) e il professor MAJIMA Tetsuro (Istituto di ricerca scientifica e industriale, Università di Osaka). I loro risultati sono stati pubblicati il ​​6 aprile nella versione online di Angewandte Chemie Edizione Internazionale .

Quando la luce viene applicata ai fotocatalizzatori, elettroni e lacune sono prodotti sulla superficie del catalizzatore, e l'idrogeno si ottiene quando questi elettroni riducono gli ioni idrogeno nell'acqua. Però, nei fotocatalizzatori tradizionali le lacune che si producono contemporaneamente agli elettroni si ricombinano maggiormente sulla superficie del catalizzatore e scompaiono, rendendo difficile aumentare l'efficienza di conversione.

Il gruppo di ricerca del professor Tachikawa ha sviluppato un fotocatalizzatore fatto di mesocristallo, creando deliberatamente una mancanza di uniformità nelle dimensioni e nella disposizione dei cristalli. Questo nuovo fotocatalizzatore è in grado di separare spazialmente gli elettroni e le lacune di elettroni per impedirne la ricombinazione. Di conseguenza, ha un tasso di conversione molto più efficiente per la produzione di idrogeno rispetto ai fotocatalizzatori nanoparticellari convenzionali (circa il 7 percento).

Il team ha sviluppato un nuovo metodo chiamato "crescita epitassiale topotattica" che utilizza gli spazi di dimensioni nanometriche nei mesocristalli. Sulla base di questo metodo di sintesi sono stati in grado di sintetizzare il titanato di stronzio (SrTiO3) da un composto con una struttura diversa, ossido di titanio (TiO2), utilizzando una semplice reazione idrotermale in un unico passaggio. Allungando il tempo di reazione, potrebbero anche far crescere particelle più grandi vicino alla superficie preservando la loro struttura cristallina.

Quando hanno attaccato un co-catalizzatore al mesocristallo sintetizzato e hanno applicato la luce ultravioletta nell'acqua, la reazione è avvenuta con circa il 7% di efficienza di conversione dell'energia luminosa. Alle stesse condizioni, Le nanoparticelle di SrTiO3 che non erano state convertite in mesocristalli hanno raggiunto un'efficienza di conversione inferiore all'1%, dimostrando che l'efficienza della reazione è aumentata di dieci volte sotto la struttura del mesocristallo. Quando ogni particella è stata esaminata al microscopio a fluorescenza, il team ha scoperto che gli elettroni prodotti durante la reazione si sono raccolti attorno ai nanocristalli più grandi.

Quando esposto alla luce ultravioletta, gli elettroni in questo fotocatalizzatore di nuova concezione si muovono dolcemente tra le nanoparticelle all'interno del mesocristallo, si raccolgono attorno ai nanocristalli più grandi generati sulla superficie del cristallo, e ridurre efficacemente gli ioni idrogeno per creare idrogeno.

La scoperta di questo potente fotocatalizzatore è iniziata con l'idea dei ricercatori di "abbattere deliberatamente la struttura ordinata dei mesocristalli, " un concetto che potrebbe essere applicato ad altri materiali. Il titanato di stronzio utilizzato questa volta è un cristallo cubico, il che significa che non vi è alcuna variazione nell'adsorbimento molecolare o nella forza di reazione per ciascun piano cristallino. Regolando la dimensione e la disposizione spaziale dei nanocristalli, che costituiscono gli elementi costitutivi di questa struttura, potrebbe essere possibile aumentare notevolmente l'efficienza di conversione dell'energia luminosa del sistema esistente.

Utilizzando questi risultati, il gruppo di ricerca prevede di applicare la tecnologia dei mesocristalli per realizzare la produzione super efficiente di idrogeno dall'energia solare. Gli ossidi metallici di perovskite, compreso il titanato di stronzio, l'obiettivo di questo studio, sono i materiali fondamentali degli elementi elettronici, così i loro risultati potrebbero essere applicati a una vasta gamma di campi.