La scissione dell'acqua a energia solare è un mezzo promettente per generare energia pulita e immagazzinabile. È stato ora dimostrato che un nuovo catalizzatore basato su nanoparticelle di semiconduttori facilita tutte le reazioni necessarie per la "fotosintesi artificiale".

Alla luce del cambiamento climatico globale, c'è un urgente bisogno di sviluppare modi efficienti per ottenere e immagazzinare energia da fonti energetiche rinnovabili. La scissione fotocatalitica dell'acqua in idrogeno combustibile e ossigeno fornisce un approccio particolarmente interessante in questo contesto. Però, attuazione efficiente di questo processo, che imita la fotosintesi biologica, è tecnicamente molto impegnativo, poiché implica una combinazione di processi che possono interferire tra loro. Ora, Fisici LMU guidati dal Dr. Jacek Stolarczyk e dal Professor Jochen Feldmann, in collaborazione con i chimici dell'Università di Würzburg guidati dal professor Frank Würthner, sono riusciti a dimostrare per la prima volta la scissione completa dell'acqua con l'aiuto di un sistema catalitico all-in-one. Il loro nuovo studio appare sulla rivista Energia della natura .

I metodi tecnici per la scissione fotocatalitica delle molecole d'acqua utilizzano componenti sintetici per imitare i complessi processi che avvengono durante la fotosintesi naturale. In tali sistemi, le nanoparticelle di semiconduttori che assorbono i quanti di luce (fotoni) possono, in linea di principio, fungono da fotocatalizzatori. L'assorbimento di un fotone genera una particella carica negativamente (un elettrone) e una specie carica positivamente nota come "buco", " e i due devono essere separati spazialmente in modo che una molecola d'acqua possa essere ridotta a idrogeno dall'elettrone e ossidata dal foro per formare ossigeno. "Se si vuole solo generare idrogeno gassoso dall'acqua, i fori vengono solitamente rimossi rapidamente aggiungendo reagenti chimici sacrificali, " dice Stolarczyk. "Ma per ottenere una scissione completa dell'acqua, i fori devono essere mantenuti nel sistema per guidare il lento processo di ossidazione dell'acqua." Il problema sta nel consentire che le due semireazioni avvengano contemporaneamente su una singola particella, garantendo nel contempo che le specie di carica opposta non si ricombinino. Inoltre , molti semiconduttori possono essere ossidati da soli, e quindi distrutto, dai fori caricati positivamente.

Nanorod con siti di reazione spazialmente separati

"Abbiamo risolto il problema utilizzando nanotubi realizzati con il materiale semiconduttore solfato di cadmio, e separato spazialmente le aree su cui si sono verificate le reazioni di ossidazione e riduzione su questi nanocristalli, " Spiega Stolarczyk. I ricercatori hanno decorato le punte delle nanobarre con minuscole particelle di platino, che fungono da accettori per gli elettroni eccitati dall'assorbimento della luce. Come aveva precedentemente dimostrato il gruppo LMU, questa configurazione fornisce un fotocatalizzatore efficiente per la riduzione dell'acqua ad idrogeno. La reazione di ossidazione, d'altra parte, avviene sui lati del nanorod. A tal fine, , i ricercatori della LMU hanno attaccato alle superfici laterali un catalizzatore di ossidazione a base di rutenio sviluppato dal team di Würthner. Il composto era dotato di gruppi funzionali che lo ancoravano al nanorod. "Questi gruppi forniscono un trasporto estremamente veloce dei fori al catalizzatore, che facilita la generazione efficiente di ossigeno e riduce al minimo i danni ai nanotubi, " dice il dottor Peter Frischmann, uno degli iniziatori del progetto a Würzburg.

Lo studio è stato realizzato nell'ambito del progetto interdisciplinare "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech), finanziato dallo Stato della Baviera. "La missione di SolTech è quella di esplorare concetti innovativi per la conversione dell'energia solare in combustibili non fossili, "dice il professor Jochen Feldmann, titolare della Cattedra di Fotonica e Optoelettronica presso LMU. "Lo sviluppo del nuovo sistema fotocatalitico è un buon esempio di come SolTech riunisce le competenze disponibili in diverse discipline e in luoghi diversi. Il progetto non avrebbe potuto avere successo senza la cooperazione interdisciplinare tra chimici e fisici di due istituzioni, "aggiunge Würthner, chi, insieme a Feldmann, avviato SolTech nel 2012.