Per combattere il cambiamento climatico, è imperativo passare dai combustibili fossili alle fonti energetiche pulite e sostenibili. Un candidato popolare in questo senso è l'idrogeno, un combustibile ecologico che produce solo acqua quando viene utilizzato. Però, i metodi efficienti di produzione dell'idrogeno di solito non sono ecologici. L'alternativa ecologica di scindere l'acqua con la luce solare per produrre idrogeno è inefficiente e soffre di una bassa stabilità del fotocatalizzatore (materiale che facilita le reazioni chimiche assorbendo la luce). Come si affronta il problema dello sviluppo di un fotocatalizzatore stabile ed efficiente?

In uno studio recentemente pubblicato su Catalisi applicata B:ambientale , un gruppo internazionale di scienziati, guidato dall'assistente professore Yeonho Kim della Incheon National University in Corea, ha risposto a questa domanda e ha riferito sulle prestazioni dei nanotubi di solfuro di zinco (ZnS) rivestiti di polidopamina (PDA) come fotocatalizzatore, che ha mostrato un aumento della produzione di idrogeno del 220% rispetto al solo catalizzatore ZnS! Inoltre, ha mostrato una discreta stabilità, mantenendo quasi il 79% della sua attività dopo essere stato irradiato per 24 ore. Il Dr. Kim delinea la motivazione alla base della loro ricerca, "Lo ZnS ha varie applicazioni fotochimiche perché può generare rapidamente portatori di carica elettrica sotto la luce del sole. Tuttavia, la luce solare provoca anche l'ossidazione degli ioni solfuro che porta alla fotocorrosione dello ZnS. Recentemente, gli studi hanno dimostrato che i rivestimenti PDA a spessore controllato su un fotocatalizzatore possono migliorare l'efficienza di conversione per l'energia solare e aumentare la fotostabilità. Ma, finora, nessuno studio ha affrontato i cambiamenti fisico-chimici all'interfaccia di ZnS/PDA. Perciò, volevamo studiare l'effetto del legame PDA sulle prestazioni fotocatalitiche di ZnS".

Gli scienziati hanno fabbricato i nanocatalizzatori di ZnS rivestiti con PDA attraverso la polimerizzazione per rivestire la dopamina su nanotubi di ZnS, e ha variato il periodo di polimerizzazione per creare campioni di tre diversi spessori di PDA:1,2 nm (ZnS/PDA1), 2,1 nm (ZnS/PDA2), e 3,5 nm (ZnS/PDA3). Hanno quindi misurato le prestazioni fotocatalitiche di questi campioni monitorando la loro produzione di idrogeno sotto un'illuminazione solare simulata.

Il catalizzatore ZnS/PDA1 ha mostrato il più alto tasso di produzione di idrogeno seguito da ZnS/PDA2, ZnS non rivestito, e ZnS/PDA3. Il team ha attribuito le prestazioni inferiori di ZnS/PDA2 e ZnS/PDA3 a un maggiore assorbimento della luce da parte dei rivestimenti PDA più spessi, che riduceva la luce che raggiungeva ZnS e impediva ai portatori di carica eccitati di raggiungere la superficie; ZnS non rivestito, al contrario, ha subito la fotocorrosione.

Per comprendere il ruolo della struttura elettronica nel miglioramento osservato, gli scienziati hanno misurato gli spettri di emissione e di estinzione dei campioni insieme ai calcoli della teoria del funzionale della densità. Il primo ha rivelato che l'assorbimento potenziato era dovuto alla formazione di gusci Zn-O o O-Zn-S su ZnS e alla creazione di livelli di energia vicino alla banda di valenza (livello atomico più alto riempito di elettroni) che possono accettare "buchi" (assenza di elettroni), mentre i calcoli hanno mostrato che ZnS/PDA ha una struttura elettronica unica "doppiamente sfalsata" che facilita il trasporto e la separazione dei portatori di carica in superficie. La migliore durata era dovuta alla ridotta capacità ossidativa dei fori negli stati di valenza del PDA.

Il Dr. Kim e il suo team sperano in applicazioni più ampie della loro tecnica. "Il rivestimento in polidopamina utilizzato nel nostro lavoro è applicabile anche ad altri gruppi di selenidi, boro, e catalizzatori a base di tellururo, " commenta il dottor Kim.

Il futuro potrebbe davvero essere l'idrogeno.