Scissione fotoelettrochimica dell'acqua. L'acqua può essere divisa per ottenere H 2 e O 2 applicando una bassa tensione in un circuito come quello mostrato in figura utilizzando un opportuno materiale fotoanodico. l'H 2 generato può essere utilizzato come combustibile pulito, il che significa che la scissione fotoelettrochimica dell'acqua è un modo per raccogliere l'energia solare. Credito:Tokyo Tech
In linea con le crescenti preoccupazioni globali sullo stato del nostro pianeta, perfezionare la tecnologia per la generazione di energia alternativa è diventato un argomento scottante tra i ricercatori di tutto il mondo. Tra le tante tecniche studiate per generare energia pulita, la scissione dell'acqua è molto promettente. In particolare, acqua (H 2 O) può essere suddiviso per ottenere diidrogeno (H 2 ) utilizzando l'energia solare; questo è noto come scissione dell'acqua fotoelettrochimica. Il diidrogeno può essere utilizzato come combustibile pulito per altre macchine o per generare elettricità, il che significa che migliorare le nostre tecniche di scissione dell'acqua è un modo garantito per ridurre le nostre emissioni di carbonio e alleviare il riscaldamento globale.
Come funziona la scissione fotoelettrochimica dell'acqua? In breve, come mostrato in Fig. 1, un modo per farlo è usare un certo tipo di materiale semiconduttore, che si chiama fotoanodo, e collegarlo a una piccola fonte di tensione e un filo metallico, che funge da catodo. Quando esposto alla luce solare, l'acqua è divisa nei suoi atomi costituenti su queste due estremità; gli atomi costituenti si ricombinano per formare l'utile H 2 e O 2 come sottoprodotto. Il passo cruciale qui è trovare stabile, materiali ad alte prestazioni per il fotoanodo perché la sottofase di ossidazione, che comporta la formazione di O 2 , è il più difficile.
Sfortunatamente, la maggior parte della ricerca si è concentrata su una classe di fotoanodi chiamati ossinitruri, che soffrono di instabilità e si degradano in tempi relativamente brevi perché sono inclini ad ossidarsi quando illuminati dalla luce. Per affrontare questo problema, un team di ricercatori della Tokyo Tech guidato dal Prof. Kazuhiko Maeda si è concentrato invece su un altro tipo di materiale fotoanodico, un ossifluoruro di formula chimica Pb 2 Ti 2 oh 5.4 F 1.2 . Questo composto non soffre di autoossidazione grazie alle sue proprietà elettroniche.
Prestazioni del fotoanodo proposto. Il composto di ossifluoruro Pb 2 Ti 2 oh 5.4 F 1.2 appare molto promettente come fotoanodo dopo opportune modifiche superficiali. Il grafico mostra la corrente generata sotto la luce del sole, che si traduce direttamente nella generazione di H 2 sul catodo dall'altra parte del circuito. Credito:Tokyo Tech
Mentre questo ossifluoruro è stato segnalato per essere promettente per molte altre applicazioni, non c'erano studi sulle sue prestazioni fotoelettrochimiche come fotoanodo per la scissione dell'acqua. Il team di ricerca ha studiato questo composto in varie condizioni di illuminazione e tensione applicata, e ho scoperto che, per usarlo come fotoanodo, è necessario modificarne la superficie con altri composti. Primo, uno strato di ossido di titanio (TiO 2 ) deve essere depositato sulla superficie dell'ossifluoruro per aumentare la fotocorrente generata dalla reazione di scissione dell'acqua. Quindi, le prestazioni del fotoanodo possono essere notevolmente migliorate rivestendolo ulteriormente con ossidi di cobalto (CoOx), che penetrano attraverso le fessure del TiO 2 strato e promuovere la reazione desiderata. "La post-modifica del fotoanodo con un promotore di ossidazione dell'acqua si è dimostrata indispensabile per ottenere prestazioni stabili nella maggior parte dei casi, " commenta il prof. Maeda.
Illustrazione schematica della scissione fotoelettrochimica dell'acqua su Pb 2 Ti 2 oh 5.4 F 1.2 elettrodo. Apparso sulla rivista come abstract grafico. Credito:Tokyo Tech
I ricercatori hanno eseguito diversi esperimenti per caratterizzare il loro fotoanodo e le sue prestazioni per la scissione dell'acqua in una varietà di condizioni, come sotto diversi tipi di luce e diversi valori di tensione e pH (che è una misura dell'acidità dell'acqua). I loro risultati sono promettenti (Fig. 2) e molto utili per indirizzare altri ricercatori nella giusta direzione. "Finora, ossinitruri e composti simili sono stati visti come materiali promettenti ma difficili da maneggiare per i fotoanodi a causa della loro intrinseca instabilità all'autoossidazione. Pb 2 Ti 2 oh 5.4 F 1.2 rappresenta una svolta tanto attesa in questo senso, " conclude il Prof. Maeda. La tecnologia di scissione dell'acqua può essere cruciale per soddisfare il nostro fabbisogno energetico senza danneggiare ulteriormente l'ambiente, e studi come questo sono trampolini essenziali per raggiungere i nostri obiettivi per un futuro più verde.
