Il sole è un'abbondante fonte di energia rinnovabile, che può essere catturato e convertito in energia elettrica utilizzabile. Però, perché non sempre splende il sole, la fornitura di energia non è continua. Abbiamo bisogno di un modo per immagazzinare l'energia del sole in modo che possa essere rilasciata su richiesta durante i periodi "off", come di notte e in condizioni nuvolose.

Un'opzione è quella di utilizzare l'energia solare per alimentare reazioni chimiche che generano combustibili. Per esempio, l'energia solare può essere convertita in idrogeno, un combustibile ad alta densità energetica e a combustione pulita, attraverso la scissione dell'acqua. Per guidare questa reazione, due elettrodi realizzati con materiali semiconduttori che assorbono la luce sono collegati e immersi in acqua. La luce solare che colpisce gli elettrodi crea una corrente elettrica che divide l'acqua nelle sue due componenti:idrogeno e ossigeno.

"Abbiamo bisogno di basso costo, ampiamente disponibile, e semiconduttori rispettosi dell'ambiente che possono assorbire la luce in una gamma di lunghezze d'onda ed eseguire efficacemente l'ossidazione dell'acqua in gas ossigeno, la parte più impegnativa della reazione, " ha spiegato Mingzhao Liu, uno scienziato del personale dell'Interface Science and Catalysis Group del Center for Functional Nanomaterials (CFN) presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). "Quando esposto all'ossigeno, i semiconduttori possono facilmente corrodersi."

Per esempio, silicio, il semiconduttore tipicamente utilizzato nelle celle solari, si corrode rapidamente se esposto all'ossigeno. Il biossido di titanio ha mostrato un'elevata stabilità e conduttività elettrica, ma assorbe solo la luce ultravioletta (UV), che rappresenta solo il 6% circa di tutta la radiazione solare ricevuta sulla superficie terrestre. Un altro candidato promettente è il vanadato di bismuto. Fatto di bismuto, vanadio, e ossigeno (BVO), questo giallo, il materiale atossico ha un'elevata stabilità e può assorbire sia i raggi UV che la luce visibile. Però, è un cattivo conduttore di elettricità, limitando la sua efficienza di conversione da solare a idrogeno.

Negli ultimi anni, Liu ha condotto uno sforzo per far crescere BVO di alta qualità e migliorare le sue prestazioni per la scissione dell'acqua solare. Come ha spiegato Liu, Il BVO è un materiale complicato perché è composto da due metalli diversi e dall'ossigeno. Se i rapporti degli atomi non sono esattamente uno a uno, i difetti possono essere introdotti involontariamente. Questi difetti rendono difficile studiare le vere proprietà del materiale e scoprirne i limiti intrinseci.

Per creare film sottili di BVO con un'elevata purezza e struttura cristallina, Liu ha utilizzato la deposizione laser pulsata. In questa tecnica, un laser UV focalizzato riscalda un materiale target con la composizione elementare desiderata all'interno di una camera a vuoto. Poiché l'energia degli impulsi laser è molto intensa, gli atomi sulla superficie del materiale bersaglio vaporizzano e si condensano su un substrato per formare una pellicola sottile.

"Una volta ottenuto un materiale cristallino privo di difetti, allora possiamo chiedere, come possiamo migliorarlo?" ha detto Liu.

In uno studio pubblicato all'inizio di quest'anno, Liu, colleghi CFN, e teorici dell'Università della California (UC), Santa Cruz, ha studiato come migliorare la conduttività elettrica del BVO aggiungendo piccole quantità di altri materiali (un processo noto come doping) tramite deposizione laser pulsata. I calcoli della struttura elettronica dei teorici hanno indicato che il litio sarebbe un drogante ideale da testare sperimentalmente; il litio fornirebbe facilmente un elettrone al sistema a temperatura ambiente e sarebbe abbastanza piccolo da adattarsi ai vuoti all'interno del reticolo senza influire in modo significativo sulla sua struttura.

Dopo aver sintetizzato film sottili di BVO drogati con una quantità ottimale di litio, il team ha condotto una serie di studi di caratterizzazione basati su elettroni e raggi X presso il CFN e la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) di Brookhaven. Questi studi hanno confermato la purezza dei film e l'assenza di distorsioni reticolari in seguito al drogaggio con litio. Quindi, il team ha misurato le proprietà di trasporto elettronico e le prestazioni fotoelettrochimiche del BVO drogato con litio. Secondo questi esperimenti, il drogaggio al litio ha aumentato la conduttività del BVO di quasi due ordini di grandezza e la sua attività di ossidazione dell'acqua del 20 percento, rispetto al BVO puro.

"La previsione della teoria e la convalida sperimentale vanno di pari passo per creare rapidamente nuovi materiali per la conversione dell'energia, " disse Yuan Ping, un assistente professore presso il Dipartimento di Chimica e Biochimica e ricercatore principale del Gruppo Ping presso l'UC Santa Cruz.

In un altro recente studio, Liu e collaboratori dell'Università di Chicago e dell'Università del Wisconsin-Madison hanno studiato l'impatto delle vacanze di ossigeno sulla struttura elettronica e sulle proprietà di trasporto del BVO nel suo orientamento più energeticamente stabile. Come ha spiegato Liu, i siti nel reticolo in cui manca l'ossigeno sono inerenti ai materiali di ossido, anche senza doping. Utilizzando metodi di calcolo, il team ha creato un modello strutturale di BVO e ha convalidato questo modello confrontando gli stati elettronici calcolati e sperimentali. I loro risultati hanno suggerito che le vacanze di ossigeno nella massa (all'interno) del materiale contribuiscono alla conduttività, mentre quelli in superficie non lo fanno e possono effettivamente ostacolare la conduttività.

"Le vacanze di ossigeno in superficie agiscono più come trappole di carica, " ha detto Liu. "Quando le accuse vanno lì, si localizzano e si bloccano."

Sono necessari studi successivi per capire come le vacanze di ossigeno superficiale e la loro tendenza a immobilizzare le cariche sono influenzate quando il BVO è immerso in acqua e lavora in combinazione con un co-catalizzatore per migliorare il trasferimento di carica. Gli scienziati studieranno se gli ossidi dei metalli di transizione possono funzionare efficacemente come co-catalizzatori. Esploreranno anche come l'attività della scissione dell'acqua solare dipenda dal tipo di atomi (bismuto o vanadio) che terminano lo strato superficiale.

"In entrambi gli studi, la stretta collaborazione tra sperimentalisti e teorici è stata la chiave del nostro successo, ", ha affermato Liu. "Non vediamo l'ora di continuare queste collaborazioni per espandere ulteriormente la nostra comprensione di BVO e identificare meccanismi per aumentare le sue prestazioni".