Un passo avanti verso un modo efficiente di produrre idrogeno in modo da poter finalmente fare a meno dei combustibili fossili e di altre fonti energetiche dannose per il nostro pianeta Credit:Tokyo University of Science
L'idrogeno è una fonte di energia pulita che può essere prodotta dalla scissione delle molecole d'acqua con la luce. Però, attualmente è impossibile raggiungere questo obiettivo su larga scala. In una recente svolta, scienziati dell'Università delle Scienze di Tokyo, Giappone, hanno sviluppato un nuovo metodo che utilizza la scarica di plasma in soluzione per migliorare le prestazioni del fotocatalizzatore nella reazione di scissione dell'acqua. Questo apre le porte all'esplorazione di una serie di fotocatalizzatori che possono aiutare ad aumentare questa reazione.
L'aggravarsi della crisi ambientale globale, insieme all'esaurimento dei combustibili fossili, ha motivato gli scienziati a cercare fonti di energia pulita. Idrogeno (H 2 ) può fungere da combustibile ecologico, e la generazione di idrogeno è diventata un argomento di ricerca caldo. Sebbene nessuno abbia ancora trovato un modo efficiente dal punto di vista energetico e conveniente per produrre idrogeno su larga scala, i progressi in questo campo sono costanti e sono state proposte varie tecniche.
Una di queste tecniche prevede l'uso di luce e catalizzatori (materiali che accelerano le reazioni) per dividere l'acqua (H 2 O) in idrogeno e ossigeno. I catalizzatori hanno strutture cristalline e la capacità di separare le cariche alle interfacce tra alcuni dei loro lati. Quando la luce colpisce il cristallo da determinate angolazioni, l'energia della luce viene assorbita nel cristallo, facendo sì che alcuni elettroni si liberino dalle loro orbite originali attorno agli atomi nel materiale. Quando un elettrone lascia il suo posto originale nel cristallo, un posto vacante carico positivamente, conosciuto come un buco, viene creato nella struttura. In genere, questi stati "eccitati" non durano a lungo, e gli elettroni liberi e le lacune alla fine si ricombinano.
Questo è il caso del vanadato di bismuto (BiVO 4 ) catalizzatori cristallini. BiVO 4 è stato recentemente studiato per le reazioni di scissione dell'acqua, data la sua promessa come materiale in cui la separazione della carica può verificarsi in seguito all'eccitazione con la luce visibile. La rapida ricombinazione di coppie di entità cariche ("portatori") è uno svantaggio perché i portatori devono partecipare separatamente a reazioni che rompono l'acqua.
In un recente studio pubblicato su Giornale di ingegneria chimica , scienziati del Photocatalysis International Research Center della Tokyo University of Science, Giappone, insieme agli scienziati della Northeast Normal University in Cina, sviluppato un nuovo metodo per migliorare le caratteristiche di separazione della carica del BiVO . decaedrico (a dieci lati) 4 catalizzatori cristallini. Prof Terashima, scienziato capo dello studio, spiega, "Studi recenti hanno dimostrato che i vettori possono essere generati e separati alle interfacce tra le diverse facce di alcuni cristalli. Nel caso di BiVO 4 , però, le forze che separano i portatori sono troppo deboli per le coppie elettrone-lacuna che vengono generate leggermente lontano dalle interfacce. Perciò, separazione dei portatori in BiVO 4 decaedri richiedevano ulteriori miglioramenti, che ci ha motivato a realizzare questo studio."
Nella tecnica che propongono, BiVO 4 i nanocristalli sono esposti a quella che viene chiamata "scarica di plasma in soluzione", un getto di materia energetica molto carico che si produce applicando alte tensioni tra due terminali immersi in acqua. La scarica al plasma rimuove alcuni atomi di vanadio (V) dalla superficie di specifiche facce dei cristalli, lasciando posti vacanti al vanadio. Questi posti vacanti agiscono come "trappole elettroniche" che facilitano la maggiore separazione dei portatori. Poiché questi posti vacanti sono in maggior numero sulle otto facce laterali del decaedro, gli elettroni sono intrappolati su queste facce mentre i fori si accumulano sulle facce superiore e inferiore. Questa maggiore separazione di carica si traduce in migliori prestazioni catalitiche del BiVO 4 nanocristalli, migliorando così le sue prestazioni di scissione dell'acqua.
Questo studio rappresenta un nuovo uso della scarica di plasma in soluzione per migliorare le proprietà dei cristalli. Prof Akira Fujishima, coautore dell'articolo, dice, "Il nostro lavoro ci ha ispirato a riconsiderare altri cristalli che sono apparentemente inefficaci per la scissione dell'acqua. Fornisce una strategia promettente utilizzando il plasma in soluzione per 'attivarli'". L'uso della scarica di plasma in soluzione presenta molti vantaggi rispetto all'utilizzo di plasma gassoso convenzionale che lo rendono molto più attraente sia dal punto di vista tecnico che economico. Prof Xintong Zhang della Northeast Normal University, Cina, osservazioni, "A differenza del plasma gassoso, che deve essere generato in camere chiuse, il plasma in soluzione può essere generato in un reattore aperto a temperatura ambiente e in una normale atmosfera d'aria. Inoltre, lavorando con polveri di cristallo in soluzione, diventa più conveniente modificare i parametri del processo, ed è anche più facile scalare."
Si spera che questo studio ci avvicini di un passo verso un modo efficiente di produrre idrogeno in modo da poter finalmente fare a meno dei combustibili fossili e di altre fonti energetiche dannose per il nostro pianeta. Commentando ulteriormente la promessa di questo studio, Il professor Terashima dice, "Se l'energia efficiente dell'idrogeno può essere prodotta utilizzando la luce solare e l'acqua, due delle risorse più abbondanti sulla terra, una società pulita da sogno potrebbe essere realizzata."
