Un fotocatalizzatore a semiconduttore organico che migliora significativamente la generazione di gas idrogeno potrebbe portare a tecnologie di stoccaggio dell'energia più efficienti.

La combustione di combustibili fossili sta portando a pericolosi cambiamenti climatici, guidando la ricerca di fonti energetiche rinnovabili più pulite. L'energia solare è di gran lunga la fonte di energia rinnovabile più abbondante, ma sbloccare il suo potenziale richiede un modo per conservarlo per un uso successivo.

Un metodo standard per immagazzinare l'energia solare è nei legami chimici dell'idrogeno molecolare utilizzando fotocatalizzatori di evoluzione dell'idrogeno (HEP). Attualmente, la maggior parte degli HEP sono realizzati con semiconduttori inorganici monocomponente. Questi possono assorbire la luce solo a lunghezze d'onda ultraviolette, che limita la loro capacità di produrre idrogeno.

Un team guidato da Iain McCulloch del KAUST Solar Center, in collaborazione con ricercatori degli Stati Uniti e del Regno Unito, ha ora sviluppato HEP realizzati con due diversi materiali semiconduttori. Hanno incorporato questi materiali in nanoparticelle organiche che possono essere sintonizzate per assorbire una parte maggiore dello spettro della luce visibile.

"Tradizionalmente, semiconduttori inorganici sono stati utilizzati per applicazioni fotocatalitiche, "dice Jan Kosco, primo autore dello studio. "Però, questi materiali assorbono principalmente la luce UV, che comprende meno del cinque percento dello spettro solare. Perciò, la loro efficienza è limitata."

Il team ha utilizzato per la prima volta un metodo chiamato miniemulsione, in cui una soluzione dei semiconduttori organici viene emulsionata in acqua con l'ausilio di un tensioattivo stabilizzante. Prossimo, hanno riscaldato l'emulsione per allontanare il solvente, lasciando dietro di sé nanoparticelle di semiconduttori organici stabilizzati con tensioattivi.

Variando il tensioattivo, sono stati in grado di controllare la struttura delle nanoparticelle, trasformandoli da una struttura core-shell a una struttura mista donatore/accettore. La struttura mista ha permesso loro di introdurre un'eterogiunzione tra gli strati del polimero donatore e dell'accettore non fullerenico.

"Entrambe le strutture assorbono la luce alla stessa velocità, " spiega Kosco, "ma nella struttura core-shell, solo i fori fotogenerati raggiungono la superficie; però, nella struttura mista, sia le lacune che gli elettroni raggiungono la superficie delle nanoparticelle, con conseguente maggiore generazione di idrogeno.

Gli HEP hanno mostrato tassi di evoluzione dell'idrogeno di un ordine di grandezza al di là di quanto è attualmente ottenibile con gli HEP inorganici monocomponente. Questo pone le basi per le tecnologie di stoccaggio dell'energia di prossima generazione.

"Stiamo attualmente studiando le prestazioni di nanoparticelle formate da diverse miscele di semiconduttori per comprendere meglio le loro relazioni struttura-attività, " dice McCulloch. "Stiamo cercando di progettare fotocatalizzatori di nanoparticelle per altre reazioni fotocatalitiche, come l'evoluzione dell'ossigeno o la riduzione dell'anidride carbonica".