gas idrogeno, un'importante materia prima sintetica, è pronto a svolgere un ruolo chiave nella tecnologia delle energie rinnovabili; però, le sue credenziali sono minate perché la maggior parte proviene attualmente da combustibili fossili, come il gas naturale. Un team KAUST ha ora trovato un percorso più sostenibile per la produzione di carburante a idrogeno utilizzando caotici, materiali che intrappolano la luce che imitano la scissione naturale dell'acqua fotosintetica.

I complessi enzimi all'interno delle piante sono poco pratici da produrre, così i ricercatori hanno sviluppato fotocatalizzatori che impiegano alta energia, elettroni caldi per scindere le molecole d'acqua in idrogeno e ossigeno. Recentemente, metalli nanostrutturati che convertono gli elettroni solari in intensi, le risonanze plasmoniche simili a onde hanno attirato l'interesse per la produzione di idrogeno. I plasmoni metallici ad alta velocità aiutano a trasferire i vettori ai siti catalitici prima che si rilassino e riducano l'efficienza catalitica.

Ottenere nanoparticelle metalliche per rispondere all'intero spettro a banda larga della luce visibile è impegnativo. "I sistemi plasmonici hanno geometrie specifiche che intrappolano la luce solo a frequenze caratteristiche, " spiega Andrea Fratalocchi, che ha condotto la ricerca. "Alcuni approcci cercano di combinare più nanostrutture per assorbire più colori, ma questi assorbimenti avvengono in diverse posizioni spaziali, quindi l'energia del sole non viene raccolta in modo molto efficiente".

Fratalocchi e il suo team hanno ideato una nuova strategia utilizzando nanostrutture metalliche note come metamateriali epsilon-near-zero (ENZ) che crescono in modo casuale, aghi frattali simili a un minuscolo pino. All'interno delle cavità formate dai rami metallici sporgenti, la propagazione della luce rallenta fino a fermarsi. Ciò consente alla sostanza ENZ di spremere tutti i colori della luce visibile nelle stesse posizioni su scala nanometrica.

Però, l'ottimizzazione del materiale ENZ per la generazione di idrogeno si è rivelato un processo lungo di mesi. Non tutte le strutture aghiformi funzionano allo stesso modo, il che significava che il team ha dovuto mettere a punto tutti i parametri di fabbricazione per trovare il disordine corretto per reazioni efficienti. Quindi, la scelta del biossido di titanio semiconduttore come substrato per raccogliere gli elettroni caldi richiedeva cristalli di purezza estremamente elevata. Finalmente, la concentrazione e la posizione delle nanoparticelle di platino utilizzate per dividere cataliticamente le molecole d'acqua dovevano essere controllate con precisione, deposizioni difficili con la complessa geometria di ENZ.

Il risultato è valso la perseveranza:gli esperimenti hanno rivelato che il fotocatalizzatore ENZ ha utilizzato la luce a banda larga per generare vettori caldi all'interno di una stretta regione interfacciale di 10 nm per un guadagno complessivo di efficienza del 300%.

"Grazie alla possibilità di controllarne l'assorbimento, le nanostrutture ENZ sono candidati ideali per la raccolta di energia solare, " afferma Fratalocchi. "Recentemente abbiamo ingegnerizzato un prototipo industriale con un'efficienza impressionante, il che ci rende molto ottimisti sulle possibilità future di questa tecnologia."