Miglioramento economico e facile dei fotoanodi per l'ossidazione dell'acqua. Credito:Istituto di tecnologia di Tokyo
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) dimostrano il primo sistema fotoelettrochimico a luce visibile per la scissione dell'acqua utilizzando TiO 2 arricchito con un materiale abbondante in terra-cobalto. L'approccio proposto è semplice e rappresenta un trampolino di lancio nella ricerca per ottenere una scissione dell'acqua a prezzi accessibili per produrre idrogeno, un'alternativa pulita ai combustibili fossili.
Scissione fotoelettrochimica dell'acqua, il processo mediante il quale l'energia luminosa viene utilizzata per scindere le molecole d'acqua in idrogeno (H 2 ) e ossigeno (O 2 ), è un approccio promettente per ottenere idrogeno puro da utilizzare come combustibile pulito alternativo. Questo processo viene effettuato in celle elettrochimiche che contengono un anodo e un catodo immersi in acqua, che sono collegati tramite un circuito esterno.
All'anodo, si verifica l'ossidazione dell'acqua, per cui O 2 è prodotto attingendo energia dalle onde luminose. Queste onde trasferiscono energia agli elettroni del materiale anodico, permettendo loro di muoversi attraverso il circuito esterno per raggiungere il catodo. Qui, gli elettroni ricevuti e il materiale del catodo causano H 2 per formare.
Ad oggi, è stato difficile trovare sistemi fotoelettrochimici che portano questo processo in modo efficiente a causa di vari motivi. Biossido di titanio (TiO 2 ), un materiale fotoanodo ben noto e ampiamente utilizzato, può assorbire energia solo dalla luce nella regione dell'ultravioletto; questo è, luce ad alta energia. Poiché sarebbe preferibile sfruttare l'energia della luce a lunghezza d'onda più lunga, TiO 2 può essere miscelato con metalli nobili (come oro o argento) per sensibilizzarlo alla luce visibile, ma questo sarebbe costoso in applicazioni su larga scala.
Per trovare una soluzione a questo problema, un team di ricerca della Tokyo Tech ha creato il primo fotoanodo a luce visibile in TiO 2 arricchito con un materiale abbondante in terra-cobalto. Il loro studio pubblicato in Materiali e interfacce applicati ACS spiega il processo sorprendentemente semplice di fabbricazione del fotoanodo; sottile TiO 2 i film vengono fatti crescere su un substrato attraverso una procedura standard e quindi viene introdotto il cobalto immergendoli in una soluzione acquosa di nitrato di cobalto. "Questo studio dimostra che una cella fotoelettrochimica guidata dalla luce visibile per l'ossidazione dell'acqua può essere costruita attraverso l'uso di metalli abbondanti in terra senza la necessità di complicate procedure di preparazione, " commenta il prof. Kazuhiko Maeda, che ha condotto la ricerca.
Attraverso molteplici tipi di analisi spettrometriche e microscopia elettronica a scansione, i ricercatori hanno identificato la composizione e la struttura specifiche della superficie modificata con cobalto del TiO 2 fotoanodo per capire come il cobalto permette al materiale di assorbire la luce visibile per mobilitare gli elettroni e causare l'ossidazione dell'acqua. Si scopre che i domini di cobalto non solo catturano la luce visibile e trasferiscono le cariche (elettroni) al TiO 2 interfaccia, ma servono anche come siti catalitici che facilitano l'ossidazione dell'acqua. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che la struttura della base TiO 2 il film sottile influisce sulle prestazioni del fotoanodo modificato finale, presumibilmente consentendo una sistemazione migliore o peggiore degli atomi di cobalto. La struttura del TiO 2 il film può essere facilmente regolato regolando i parametri di fabbricazione, che ha permesso al team di eseguire più test per ottenere informazioni su questo fenomeno.
C'è ancora del lavoro da fare, in quanto sarà necessario ottimizzare ulteriormente la progettazione del fotoanodo per migliorare il processo di trasferimento di carica che avviene tra gli atomi di cobalto e il TiO 2 substrato per ottenere tassi di ossidazione dell'acqua più elevati. Tuttavia, uno dei principali vantaggi del sistema di ossidazione dell'acqua proposto è che non è sacrificale; in altre parole, i materiali impiegati non si basano su ossidanti e/o riducenti ricchi di energia (cioè, reagenti sacrificali). "Finora, i sistemi di fotoossidazione dell'acqua sensibilizzata al cobalto erano costituiti da fotocatalisi a base di polvere, che funzionano solo in presenza di un accettore di elettroni sacrificale. Perciò, il presente studio dimostra anche la scissione dell'acqua a luce visibile senza reagenti sacrificali utilizzando un materiale semiconduttore sensibilizzato al cobalto (TiO 2 ), " conclude il prof. Maeda. Si spera che questo studio serva da trampolino di lancio per tutti coloro che cercano di ottenere una suddivisione dell'acqua a prezzi accessibili per garantire un futuro più verde.
