In una prima, un fotocatalizzatore sensibilizzato al colorante che facilita l'attività di scissione dell'acqua solare più efficiente registrata fino ad oggi (per catalizzatori simili) è stato ottimizzato dai ricercatori della Tokyo Tech. Il loro catalizzatore a nanofoglio modificato in superficie e sensibilizzato al colorante mostra un potenziale immenso, in quanto può sopprimere il trasferimento di elettroni posteriori indesiderabili e migliorare l'attività di scissione dell'acqua fino a cento volte.

Uno dei modi più semplici per dividere le molecole d'acqua in idrogeno è usare i fotocatalizzatori. Questi materiali, che sono semiconduttori in grado di assorbire la luce ed eseguire contemporaneamente reazioni di scissione dell'acqua, forniscono una configurazione semplice per la produzione di massa di idrogeno. I semiconduttori possono generare una coppia elettrone-lacuna per la reazione di scissione dell'acqua; tuttavia, poiché i portatori di carica tendono a ricombinarsi, è stato sviluppato un sistema fotocatalitico "schema Z" che coinvolge due materiali semiconduttori e un mediatore di elettroni per sopprimerlo.

In questa configurazione, il mediatore di elettroni, che è tipicamente una coppia accettore/donatore di elettroni reversibile (come I₃ ^- /Io ^- ), accetta elettroni da uno dei fotocatalizzatori e li dona all'altro. Questo separa i portatori di carica tra i semiconduttori. Nonostante l'eliminazione della ricombinazione di carica all'interno del semiconduttore, le specie che accettano elettroni (I₃ ^- ) compete con il fotocatalizzatore a idrogeno per gli elettroni, con conseguenti scarse efficienze di conversione dell'energia solare in idrogeno.

Per migliorare la produzione di idrogeno, un team di ricercatori internazionali, tra cui il professore assistente appositamente nominato Shunta Nishioka e il professor Kazuhiko Maeda del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) ha lavorato su come prevenire il trasferimento di elettroni non intenzionale. Sulla sperimentazione con fotocatalizzatori di niobato sensibilizzati con colorante al rutenio (Ru) (Ru/Pt/HCa₂ Nb₃ O₁₀ ), i ricercatori hanno notato che la produzione di idrogeno aumenta significativamente a un basso I₃ ^- concentrazioni. Questi risultati li hanno portati a sviluppare un efficiente sistema di scissione dell'acqua che consiste in un fotocatalizzatore di evoluzione dell'ossigeno e un nanofoglio di niobato sensibile al colorante Ru modificato che funziona come un migliore fotocatalizzatore di evoluzione dell'idrogeno. "Abbiamo migliorato con successo l'efficienza di un sistema di scissione dell'acqua globale con schema Z utilizzando un fotocatalizzatore di nanosheet sensibilizzato con colorante modificato in superficie", afferma il prof. Maeda. I risultati del loro studio sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances .

Per mantenere l'I₃ ^- concentrazione nel sistema di reazione bassa, un PtO_x /H-Cs-WO₃ il fotocatalizzatore è usato come catalizzatore di evoluzione dell'ossigeno. Allo stesso tempo, Al₂ O₃ e il poli(stirensolfonato) (PSS) viene aggiunto per sopprimere il trasferimento di elettroni di ritorno dal semiconduttore al complesso Ru ossidato e all'I₃ ^- ione, rispettivamente. Questo progetto consente a più elettroni di partecipare alla reazione di evoluzione dell'idrogeno, risultando nel sistema di scissione dell'acqua con schema Z più efficiente fino ad oggi. "La modifica della superficie del fotocatalizzatore a nanofoglio sensibilizzato al colorante ha migliorato l'attività di scissione dell'acqua solare di quasi 100 volte, rendendolo paragonabile ai sistemi fotocatalizzatori convenzionali basati su semiconduttori", afferma il prof. Maeda.

Con il trasferimento di elettroni posteriori soppresso, il fotocatalizzatore sviluppato potrebbe anche mantenere la produzione di idrogeno a bassi livelli di luce, dandogli un vantaggio rispetto ad altri fotocatalizzatori che richiedono intensità di luce elevate. Inoltre, riducendo al minimo l'impatto delle reazioni di trasferimento di elettroni posteriori, i ricercatori non solo hanno stabilito un nuovo punto di riferimento per i fotocatalizzatori sensibilizzati al colorante per la scissione dell'acqua con schema Z, ma hanno anche gettato le basi per migliorare altri sistemi sensibilizzati al colorante utilizzati per altre reazioni importanti come CO₂ riduzione. + Esplora ulteriormente

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