Vista attraverso una finestra dell'interno di un reattore a vuoto ultraelevato dove i nanotubi di TiO2 sono decorati con nanoparticelle di CoO. Vediamo la fiamma (plasma prodotto dall'ablazione laser) che spruzza il CoO per dare origine alla formazione delle sue nanoparticelle. Credito:Christian Fleury (INRS)
Un gruppo di ricerca dell'Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) ha unito le forze con i ricercatori francesi dell'Istituto di chimica e processi per l'energia, Ambiente e Salute (ICPEES), un laboratorio di ricerca congiunto CNRS-Università di Strasburgo, per aprire la strada alla produzione di idrogeno verde. Questo team internazionale ha sviluppato nuovi elettrodi nanostrutturati fotosensibili alla luce solare. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati nel numero di novembre 2020 della rivista di Materiali per l'energia solare e celle solari .
Un vettore di transizione energetica
L'idrogeno è considerato da diversi paesi dell'Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico (OCSE) un attore chiave nella transizione verso industrie e settori decarbonizzati. Secondo il professore dell'INRS My Ali El Khakani, Il Quebec potrebbe posizionarsi strategicamente in questo settore energetico del futuro. "Grazie ai nanomateriali ad alte prestazioni, possiamo migliorare l'efficienza della dissociazione dell'acqua per produrre idrogeno. Questo carburante "pulito" sta diventando sempre più importante per la decarbonizzazione dell'autotrasporto pesante e del trasporto pubblico. Per esempio, autobus che utilizzano l'idrogeno come carburante sono già in funzione in diversi paesi europei e in Cina. Questi autobus emettono acqua invece di gas serra, " ha aggiunto il fisico e specialista di nanomateriali.
La scissione delle molecole d'acqua in ossigeno e idrogeno è stata a lungo effettuata mediante elettrolisi. Però, gli elettrolizzatori industriali sono molto energivori e richiedono grandi investimenti. I ricercatori dell'INRS e dell'ICPEES si sono ispirati piuttosto a un meccanismo naturale:la fotosintesi. Infatti, hanno sviluppato elettrodi appositamente progettati e strutturati che scindono le molecole d'acqua sotto la luce del sole. Questo è un processo noto come fotocatalisi.
Immagine al microscopio elettronico (vista dall'alto) di una serie di nanotubi di TiO2 (come le celle a nido d'ape di un alveare) decorati con nanoparticelle di ossido di cobalto (CoO) (NP). Credito:INRS 
Per il massimo utilizzo dell'energia solare, i gruppi di ricerca hanno selezionato un materiale molto abbondante e chimicamente stabile:il biossido di titanio (TiO 2 ). TiO 2 è un semiconduttore noto per essere fotosensibile alla luce UV, che rappresenta solo il 5% dell'irraggiamento solare. I ricercatori hanno utilizzato la loro esperienza nel campo per modificare prima la composizione atomica del TiO 2 ed estendere la sua fotosensibilità alla luce visibile. Sono stati in grado di produrre elettrodi in grado di assorbire fino al 50% della luce emessa dal sole. Un guadagno significativo fin dall'inizio!
I ricercatori hanno quindi proceduto alla nanostrutturazione dell'elettrodo per formare una rete di TiO 2 nanotubi che ricordano una struttura simile a un alveare. Questo metodo ha moltiplicato la superficie effettiva dell'elettrodo per un fattore di 100, 000 o più. "La nanostrutturazione massimizza il rapporto tra superficie e volume di un materiale. Ad esempio, TiO 2 le nanostrutture possono offrire una superficie fino a 50 m 2 per grammo. Questa è la superficie di un appartamento di medie dimensioni!" ha sottolineato il professor El Khakani.
La fase finale dell'elaborazione degli elettrodi è la loro "nanodecorazione". Questo processo consiste nel depositare nanoparticelle di catalizzatore sulla rete altrimenti infinita di TiO 2 nanotubi per aumentare la loro efficienza nella produzione di idrogeno. Per ottenere questo passaggio di nanodecorazione, i ricercatori hanno utilizzato la tecnica di deposizione per ablazione laser, un campo in cui il professor El Khakani ha sviluppato un'esperienza unica negli ultimi 25 anni. La sfida non era solo quella di controllare le dimensioni, dispersione e ancoraggio di nanoparticelle di catalizzatore sul TiO 2 matrice di nanotubi, ma anche per trovare alternative ai costosi catalizzatori classici all'iridio e al platino.
Questa ricerca ha identificato l'ossido di cobalto (CoO), un materiale che è abbastanza disponibile nel sottosuolo del Quebec, come efficaci co-catalizzatori per la scissione delle molecole d'acqua. Un confronto tra i due materiali ha mostrato che le nanoparticelle di CoO hanno consentito di aumentare di dieci volte l'efficienza fotocatalitica di questi nuovi elettrodi nanodecorati sotto luce visibile rispetto ai nanotubi nudi.
