La struttura metallo-organica (reticolo grigio e magenta) può utilizzare l'energia solare per dividere le molecole d'acqua (sfere rosse e azzurre) per rilasciare idrogeno (sfere azzurre). Credito:2020 Nikita Kolobov
Un fotocatalizzatore per la scissione dell'acqua a base di strutture metalliche organiche (MOF), sviluppato presso KAUST, ha avvicinato i ricercatori alla generazione di idrogeno pulito utilizzando la luce solare.
"Utilizzare l'energia solare per produrre in modo efficiente combustibili verdi è l'obiettivo finale di molti ricercatori di catalisi, "dice Jorge Guascone, direttore del Centro di catalisi KAUST, che ha condotto la ricerca. Però, rimane difficile trovare efficiente, longevo, fotocatalizzatori a scissione dell'acqua a basso costo.
Nella squadra di Guascone, l'obiettivo è utilizzare i MOF per trovare materiali sostenibili per la scissione dell'acqua fotocatalitici. "Lavoriamo con i MOF perché sono come un giocattolo da costruzione LEGO:hai parti diverse con cui puoi giocare e variare per ottenere le proprietà desiderate, "dice Nikita Kolobov, un membro della squadra di Guascone.
I MOF sono costituiti da ioni metallici collegati da linker organici a base di carbonio in un array bidimensionale o tridimensionale altamente regolare e ripetitivo. Variando il metallo e la componente organica, è possibile realizzare una famiglia diversificata di materiali. "Questa modularità rende i MOF una piattaforma eccellente per sviluppare una comprensione fondamentale dei processi fotocatalitici, " Afferma Gascon. "Possiamo valutare nuovi concetti nella fotocatalisi che possono essere difficili o impossibili da sviluppare e valutare utilizzando altre classi di materiali".
Nell'impalcatura MOF, il linker organico (grigio) funge da antenna fotonica; un elettrone dal linker viene trasferito alla catena metallica (rosa) e utilizzato per la produzione di H2 dall'acqua. Credito:© 2020 Nikita Kolobov
Per il loro ultimo lavoro, Guascone, Kolobov, Amandine Cadiau e i loro colleghi hanno creato un MOF che utilizzava ioni metallici di titanio con H 4 TBAPy, un linker organico noto per assorbire energia da un ampio spettro di luce solare. Combinando H 4 TBAPy con titanio, il team mirava a creare un materiale che potesse utilizzare in modo efficiente quell'energia.
Il titanio nel MOF attivato dalla luce aveva i livelli di energia ideali per la parte di produzione di idrogeno della scissione fotocatalitica dell'acqua, la squadra ha mostrato. "La parte organica del MOF ha agito come un'antenna che raccoglieva la luce e trasmetteva quell'energia al nodo metallico, che lo attivava per compiere trasformazioni catalitiche, " dice Kolobov.
"Sebbene l'attività di reazione di evoluzione dell'idrogeno del nuovo MOF sia stata modesta rispetto ad alcuni semiconduttori inorganici, le sue prestazioni sono già tra i migliori materiali MOF a base di titanio, " Afferma Kolobov. "I MOF sono ancora agli inizi quando si tratta di applicazioni fotocatalitiche, " aggiunge. "Crediamo che l'approccio modulare alla loro costruzione offra possibilità illimitate di miglioramento delle prestazioni, e stiamo facendo i primi passi in questa direzione».
"Ogni passo per capire meglio come funzionano i catalizzatori sotto l'illuminazione della luce è importante, " Afferma Gascon. "Il nostro obiettivo principale in questo momento è creare nuove strutture MOF in grado di eseguire in modo efficiente la scissione complessiva dell'acqua".
