Secondo alcune stime, la quantità di energia solare che raggiunge la superficie terrestre in un anno è maggiore della somma di tutta l'energia che potremmo mai produrre utilizzando risorse non rinnovabili. La tecnologia necessaria per convertire la luce solare in elettricità si è sviluppata rapidamente, ma le inefficienze nello stoccaggio e nella distribuzione di quella potenza sono rimaste un problema significativo, rendere impraticabile l'energia solare su larga scala. Però, una svolta dai ricercatori dell'UVA's College e della Graduate School of Arts &Sciences, il California Institute of Technology e l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Il Lawrence Berkeley National Laboratory e il Brookhaven National Laboratory potrebbero eliminare un ostacolo critico dal processo, una scoperta che rappresenta un passo da gigante verso un futuro di energia pulita.

Un modo per sfruttare l'energia solare è utilizzare l'elettricità solare per dividere le molecole d'acqua in ossigeno e idrogeno. L'idrogeno prodotto dal processo viene immagazzinato come combustibile, in una forma che può essere trasferita da un luogo all'altro e utilizzata per generare energia su richiesta. Per dividere le molecole d'acqua nelle loro parti componenti, è necessario un catalizzatore, ma i materiali catalitici attualmente utilizzati nel processo, nota anche come reazione di evoluzione dell'ossigeno, non sono abbastanza efficienti da rendere pratico il processo.

Utilizzando una strategia chimica innovativa sviluppata presso UVA, però, un team di ricercatori guidato dai professori di chimica Sen Zhang e T. Brent Gunnoe ha prodotto una nuova forma di catalizzatore utilizzando gli elementi cobalto e titanio. Il vantaggio di questi elementi è che sono molto più abbondanti in natura rispetto ad altri materiali catalitici comunemente usati contenenti metalli preziosi come l'iridio o il rutenio.

"Il nuovo processo prevede la creazione di siti catalitici attivi a livello atomico sulla superficie dei nanocristalli di ossido di titanio, una tecnica che produce un materiale catalitico durevole e uno che è più efficace nell'innescare la reazione di evoluzione dell'ossigeno". di energia solare rinnovabile. Questo lavoro è un perfetto esempio di come ottimizzare l'efficienza del catalizzatore per la tecnologia dell'energia pulita sintonizzando i nanomateriali su scala atomica".

Secondo Gunnoe, "Questa innovazione, incentrato sui risultati del laboratorio Zhang, rappresenta un nuovo metodo per migliorare e comprendere i materiali catalitici con un conseguente sforzo che prevede l'integrazione di sintesi di materiali avanzati, caratterizzazione a livello atomico e teoria della meccanica quantistica".

"Diversi anni fa, UVA ha aderito al consorzio MAXNET Energy, composto da otto Max Planck Institutes (Germania), UVA e Università di Cardiff (Regno Unito), che ha riunito gli sforzi collaborativi internazionali incentrati sull'ossidazione elettrocatalitica dell'acqua. MAXNET Energy è stato il seme per gli attuali sforzi congiunti tra il mio gruppo e il laboratorio Zhang, che è stata e continua ad essere una collaborazione fruttuosa e produttiva, "Ha detto Gunnoe.

Con l'aiuto dell'Argonne National Laboratory e del Lawrence Berkeley National Laboratory e delle loro strutture all'avanguardia per la spettroscopia di assorbimento a raggi X di sincrotrone, che utilizza la radiazione per esaminare la struttura della materia a livello atomico, il team di ricerca ha scoperto che il catalizzatore ha una struttura superficiale ben definita che consente loro di vedere chiaramente come si evolve il catalizzatore nel frattempo della reazione di evoluzione dell'ossigeno e consente loro di valutare con precisione le sue prestazioni.

"Il lavoro ha utilizzato linee di luce a raggi X dall'Advanced Photon Source e dall'Advanced Light Source, inclusa una parte di un programma di "accesso rapido" riservato a un rapido ciclo di feedback per esplorare idee scientifiche emergenti o urgenti, " ha detto il fisico a raggi X di Argonne Hua Zhou, un coautore sulla carta. "Siamo molto entusiasti del fatto che entrambe le strutture scientifiche nazionali per gli utenti possano contribuire in modo sostanziale a un lavoro così intelligente e accurato sulla scissione dell'acqua che fornirà un balzo in avanti per le tecnologie energetiche pulite".

Sia l'Advanced Photon Source che l'Advanced Light Source sono strutture per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) situate presso l'Argonne National Laboratory del DOE e il Lawrence Berkeley National Laboratory, rispettivamente.

Inoltre, ricercatori del Caltech, utilizzando metodi di meccanica quantistica di nuova concezione sono stati in grado di prevedere con precisione il tasso di produzione di ossigeno causato dal catalizzatore, che ha fornito al team una comprensione dettagliata del meccanismo chimico della reazione.

"Abbiamo sviluppato nuove tecniche di meccanica quantistica per comprendere il meccanismo di reazione dell'evoluzione dell'ossigeno per più di cinque anni, ma in tutti gli studi precedenti, non potevamo essere sicuri dell'esatta struttura del catalizzatore. Il catalizzatore di Zhang ha una struttura atomica ben definita, e scopriamo che i nostri risultati teorici sono, essenzialmente, in esatto accordo con le osservabili sperimentali, " disse William A. Goddard III, un professore di chimica, scienza dei materiali, e fisica applicata al Caltech e uno dei principali ricercatori del progetto. "Questo fornisce la prima valida convalida sperimentale dei nostri nuovi metodi teorici, che ora possiamo usare per prevedere catalizzatori ancora migliori che possono essere sintetizzati e testati. Questa è una pietra miliare importante verso l'energia pulita globale".

"Questo lavoro è un ottimo esempio dello sforzo di squadra dell'UVA e di altri ricercatori per lavorare verso l'energia pulita e le entusiasmanti scoperte che derivano da queste collaborazioni interdisciplinari, "ha detto Jill Venton, presidente del Dipartimento di Chimica dell'UVA.