I ricercatori della Shanghai Jiao Tong University hanno trovato il modo di far durare più a lungo gli elettroni caldi in modo che la fotocatalisi possa essere utilizzata per produrre perossido di idrogeno in un processo di produzione più sicuro e pulito. Credito:Nano Technology, Tsinghua University Press
Il perossido di idrogeno viene utilizzato in molte industrie per una varietà di scopi, tra cui lo sbiancamento, il trattamento delle acque reflue, la sterilizzazione e persino come combustibile per razzi. Poiché il sottoprodotto del perossido di idrogeno è l'acqua, è stato lodato come una sostanza chimica "verde" rispettosa dell'ambiente, ma uno sguardo più da vicino al processo di produzione del perossido di idrogeno rivela una storia più complicata. Problemi come la quantità di energia utilizzata per il processo di produzione e l'estrazione delle sostanze chimiche necessarie hanno un impatto ambientale drammatico. Con l'aumento della domanda di perossido di idrogeno a livello globale, i ricercatori stanno cercando di trovare nuovi modi per produrre perossido di idrogeno che siano più sicuri e migliori per l'ambiente.
Ricerche precedenti hanno identificato tecniche che utilizzano la fotocatalisi, l'uso della luce per avviare una reazione chimica e gli elettroni caldi, che sono elettroni ad alta energia che sono stati caricati attraverso la luce visibile e infrarossa, come soluzioni alternative alla produzione di perossido di idrogeno. Sia la fotocatalisi che gli elettroni caldi sono stati utilizzati in passato in alternative all'energia verde, come l'energia solare, ma le limitazioni su entrambi i processi ne hanno impedito l'implementazione per la produzione di perossido di idrogeno.
Per affrontare alcune di queste limitazioni, i ricercatori della Shanghai Jiao Tong University hanno trovato il modo di far durare più a lungo gli elettroni caldi in modo che la fotocatalisi possa essere utilizzata per produrre perossido di idrogeno in un processo di produzione più sicuro e pulito.
I risultati sono stati pubblicati il 25 giugno su Nano Research .
L'autore dell'articolo Xinhao Li, professore alla Scuola di Chimica e Ingegneria Chimica dell'Università Jiao Tong di Shanghai, ha spiegato alcuni dei limiti dell'utilizzo di elettroni caldi nella produzione di perossido di idrogeno. "La durata degli elettroni caldi, tipicamente su una scala temporale da 0,4 a 0,3 picosecondi, non può essere abbinata bene alla scala temporale delle tipiche reazioni chimiche, inclusa la reazione di riduzione dell'ossigeno al perossido di idrogeno. Per questo motivo, è interessante sviluppare metodi potenti per prolungare la durata dei vettori caldi termalizzati rispetto a fotocatalizzatori economici per la produzione di perossido di idrogeno utilizzando solo acqua, aria e luce solare", ha affermato Li.
Il metodo per mantenere l'energia degli elettroni caldi proposto dai ricercatori è semplice. Viene creata un'eterogiunzione, una combinazione di due diversi strati di semiconduttori, di biossido di titanio rutilo e grafene per raccogliere gli elettroni caldi. I primi ricercatori hanno esplorato modi per produrre sinteticamente biossido di titanio rutilo in modo rapido ed efficiente. Occorrono 24 ore per il processo di trasferimento di fase mediante il metodo di macinazione per convertire il biossido di titanio anatasio in biossido di titanio rutilo, ma i ricercatori sono stati in grado di ridurlo a 5 minuti.
La combinazione di biossido di titanio rutilo e grafene forma un'elevata barriera Schottky, essenziale per prolungare la vita degli elettroni caldi. Una barriera di Schottky si forma tra un metallo e un semiconduttore e funge da barriera per gli elettroni. Poiché la barriera Schottky tra biossido di titanio rutilo e grafene è elevata, facilita l'iniezione di elettroni caldi e impedisce agli elettroni di fluire all'indietro attraverso la barriera. L'elevata barriera si ottiene grazie al rapido trasferimento di fase tra il biossido di titanio anatasio e il biossido di titanio rutilo. Il rapido trasferimento di fase e l'elevata barriera consentono una lunga durata della fluorescenza e una migliore efficienza, aumentando la produzione di perossido di idrogeno utilizzando la luce del visibile e del vicino infrarosso. I ricercatori sospettano che il grafene/biossido di titanio rutilo possa essere riutilizzato per almeno sei cicli di reazioni standard, rendendolo ancora più efficiente per la produzione di perossido di idrogeno.
Per quanto riguarda il futuro, i ricercatori stanno guardando avanti a come semplificare il processo. "Nel lavoro di follow-up, speriamo di sviluppare strategie più semplici per ottimizzare l'eterostruttura della fotocatalisi per migliorare ulteriormente l'utilizzo degli elettroni caldi fotogenerati. Questo sistema fotocatalitico guidato da elettroni caldi fotogenerati su eterogiunzioni prive di metalli nobili a basso costo mostra un potenziale significativo in quanto un nuovo sistema di fotosintesi artificiale", ha detto Li. + Esplora ulteriormente
