Un nuovo fotocatalizzatore costituito da fogli di ossido di metallo su scala nanometrica e una molecola di colorante di rutenio può generare H 2 dall'acqua utilizzando la luce visibile. Credito:Tokyo Tech
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hanno sviluppato un materiale ibrido costituito da un nanofoglio di ossido di metallo e una molecola che assorbe la luce per scindere le molecole d'acqua per ottenere diidrogeno (H 2 ) alla luce del sole. Poiché H 2 può essere utilizzato come carburante privo di carbonio, questo studio fornisce informazioni rilevanti verso la generazione di energia pulita.
In linea con l'esaurimento dei combustibili fossili e i problemi ambientali dovuti alla loro combustione, lo sviluppo di tecnologie per la generazione di energia pulita è un argomento di interesse globale. Tra i vari metodi proposti per generare energia pulita, la scissione fotocatalitica dell'acqua si sta rivelando molto promettente. Questo metodo utilizza l'energia solare per dividere le molecole d'acqua e ottenere diidrogeno (H 2 ). l'H 2 può quindi essere utilizzato come combustibile privo di carbonio o come materia prima nella produzione di molti importanti prodotti chimici.
Ora, un gruppo di ricerca guidato da Kazuhiko Maeda presso Tokyo Tech ha sviluppato un nuovo fotocatalizzatore costituito da fogli di ossido di metallo su scala nanometrica e una molecola di colorante di rutenio, che funziona secondo un meccanismo simile alle celle solari sensibilizzate al colorante. Mentre gli ossidi metallici che sono fotocataliticamente attivi per la scissione complessiva dell'acqua in H 2 e O 2 hanno ampi gap di banda, gli ossidi sensibilizzati al colorante possono utilizzare la luce visibile, la componente principale della luce solare (Figura 1). Il nuovo fotocatalizzatore è in grado di generare H 2 da acqua con una frequenza di turnover del 1960 all'ora e un rendimento quantistico esterno del 2,4%.
Questi risultati sono i più alti registrati per i fotocatalizzatori sensibilizzati al colorante sotto luce visibile, avvicinando il team di Maeda all'obiettivo della fotosintesi artificiale, replicando il processo naturale di utilizzo dell'acqua e della luce solare per produrre energia in modo sostenibile.
Il nuovo materiale, segnalato in Giornale della Società Chimica Americana , è costituito da nanofogli di niobato di calcio ad alta superficie (HCa 2 Nb 3 oh 10 ) intercalati con nanocluster di platino (Pt) come H 2 -siti in evoluzione. Però, i nanosheet modificati con platino non funzionano da soli, in quanto non assorbono la luce solare in modo efficiente. Quindi una molecola di colorante di rutenio che assorbe la luce visibile viene combinata con il nanofoglio, abilitando H . solare 2 evoluzione (figura 2).
Illustrazione di H . guidato dalla luce visibile 2 evoluzione su colorante rutenio/HCa 2 Nb 3 oh 10 nanofoglio. Credito:American Chemical Society, Tecnologia di Tokyo, adottato con il permesso
Ciò che rende efficiente il materiale è l'uso di nanofogli, che può essere ottenuto per esfoliazione chimica di HCa . lamellare 2 Nb 3 oh 10 . L'elevata superficie e la flessibilità strutturale dei nanofogli massimizzano i carichi di colorante e la densità di H 2 siti di evoluzione, che a loro volta migliorano H 2 efficienza evolutiva. Anche, per ottimizzare le prestazioni, Il team di Maeda ha modificato i nanosheet con allumina amorfa, che svolge un ruolo importante nel migliorare l'efficienza del trasferimento di elettroni. "Senza precedenti, la modifica dell'allumina per i nanofogli promuove la rigenerazione del colorante durante la reazione senza ostacolare l'iniezione di elettroni dal colorante allo stato eccitato al nanofoglio, la fase primaria dell'H sensibilizzato al colorante 2 Evoluzione, "dice Maeda.
"Fino a poco tempo fa, era considerato molto difficile ottenere H 2 evoluzione attraverso la scissione complessiva dell'acqua sotto la luce visibile utilizzando un fotocatalizzatore sensibilizzato al colorante ad alta efficienza, " spiega Maeda. "Il nostro nuovo risultato dimostra chiaramente che questo è davvero possibile, utilizzando un ibrido molecola-nanomateriale accuratamente progettato."
Sono necessarie ulteriori ricerche, poiché sarà necessario ottimizzare ulteriormente la progettazione del fotocatalizzatore ibrido per migliorarne l'efficienza e la durata nel tempo. La scissione fotocatalitica dell'acqua può essere un mezzo cruciale per soddisfare le esigenze energetiche della società senza danneggiare ulteriormente l'ambiente, e studi come questo sono trampolini essenziali per raggiungere il nostro obiettivo di un futuro più verde.
