Modelli strutturali di due cluster che consentono la scissione dell'acqua in O2 e H2 per mezzo dell'energia luminosa. Credito:Università della tecnologia di Vienna
L'idrogeno potrebbe essere una parte importante del nostro futuro approvvigionamento energetico:può essere immagazzinato, trasportato e bruciato secondo necessità. Tuttavia, la maggior parte dell'idrogeno oggi disponibile è un sottoprodotto della produzione di gas naturale e questo deve cambiare per motivi di protezione del clima. La migliore strategia finora per produrre "idrogeno verde" rispettoso dell'ambiente è dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando l'elettricità proveniente da fonti di energia rinnovabile, ad esempio le celle fotovoltaiche.
Tuttavia, sarebbe molto più facile se la luce solare potesse essere utilizzata direttamente per dividere l'acqua. Questo è esattamente ciò che stanno rendendo possibile i nuovi catalizzatori, in un processo chiamato "divisione dell'acqua fotocatalitica". Il concetto non è ancora utilizzato industrialmente. Alla TU Wien, sono stati compiuti passi importanti in questa direzione:su scala atomica, gli scienziati hanno realizzato una nuova combinazione di catalizzatori molecolari e allo stato solido che possono svolgere il lavoro utilizzando materiali relativamente economici.
Interazione degli atomi
"In realtà, per essere in grado di dividere l'acqua con la luce, devi risolvere due compiti contemporaneamente", afferma Alexey Cherevan dell'Institute for Materials Chemistry della TU Wien. "Dobbiamo pensare all'ossigeno e all'idrogeno. Gli atomi di ossigeno dell'acqua devono essere trasformati in O2 molecole e gli ioni idrogeno rimanenti, che sono solo protoni, devono essere trasformati in molecole H2."
Sono state ora trovate soluzioni per entrambe le attività. Minuscoli ammassi inorganici costituiti solo da un piccolo numero di atomi sono ancorati su una superficie di strutture di supporto che assorbono la luce come l'ossido di titanio. La combinazione di cluster e supporti per semiconduttori scelti con cura porta al comportamento desiderato.
I cluster responsabili dell'ossidazione dell'ossigeno sono costituiti da cobalto, tungsteno e ossigeno, mentre i cluster di zolfo e molibdeno sono particolarmente adatti per creare molecole di idrogeno. I ricercatori della TU Wien sono stati i primi a depositare questi grappoli su una superficie di ossido di titanio, dove possono fungere da catalizzatori per la scissione dell'acqua.
"L'ossido di titanio è sensibile alla luce, questo era già noto", afferma Alexey Cherevan. "L'energia della luce assorbita porta alla creazione di elettroni liberi e cariche positive libere nell'ossido di titanio. Queste cariche consentono quindi ai gruppi di atomi che si trovano su questa superficie di facilitare la scissione dell'acqua in ossigeno e idrogeno. "
Controllo preciso, atomo per atomo
"Altri gruppi di ricerca che lavorano sulla scissione dell'acqua con la luce si basano su nanoparticelle che possono assumere forme e proprietà superficiali molto diverse", spiega Alexey Cherevan. "Le dimensioni sono difficili da controllare, gli atomi non sono disposti nello stesso modo. Pertanto, in questo caso, non è possibile spiegare esattamente come avvenga il processo di catalisi in dettaglio". Alla TU Wien, invece, l'esatta struttura degli ammassi è determinata con precisione atomica, il che consente una piena comprensione del ciclo catalitico.
"Questo è l'unico modo per ottenere un feedback su ciò da cui dipende davvero l'efficienza del processo", afferma Alexey Cherevan. "Non vogliamo semplicemente fare affidamento su un approccio per tentativi ed errori e provare diverse nanoparticelle fino a quando non troviamo quella migliore:vogliamo scoprire a livello atomico qual è davvero il catalizzatore ottimale."
Ora che i materiali selezionati si sono rivelati idonei per la scissione dell'acqua, il passo successivo consiste nel perfezionare ulteriormente la loro esatta struttura per ottenere efficienze ancora maggiori.
Semplice e promettente
"Il vantaggio decisivo del nostro metodo rispetto alla scissione dell'acqua mediante elettrolisi è la sua semplicità", sottolinea Alexey Cherevan. La produzione di idrogeno elettrico necessita innanzitutto di una fonte di energia sostenibile, come celle fotovoltaiche, possibilmente un dispositivo di accumulo di energia elettrica e una cella di elettrolisi. Tutto sommato, ciò si traduce in un sistema relativamente complesso costituito da una moltitudine di materie prime. Per la scissione fotocatalitica dell'acqua, invece, basta una superficie opportunamente verniciata, ricoperta d'acqua e irradiata dal sole.
A lungo termine, questo metodo potrebbe essere utilizzato anche per produrre molecole più complicate utilizzando il concetto di fotosintesi artificiale. Potrebbe anche essere possibile utilizzare l'energia della radiazione solare per produrre idrocarburi con anidride carbonica dall'atmosfera e dall'acqua, che possono quindi essere utilizzati per altre applicazioni.
Gli studi associati compaiono in ACS Catalysis e Materiali ACS Au . + Esplora ulteriormente
