Uno sguardo su nanoscala a un fotocatalizzatore che è sia durevole che molto efficiente. Questa immagine al microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione di un nanocristallo di biossido di titanio dopo l'idrogenazione rivela un disordine ingegnerizzato sulla superficie del cristallo, un cambiamento che consente al fotocatalizzatore di assorbire la luce infrarossa.
(PhysOrg.com) -- Un piccolo disordine fa molto, soprattutto quando si tratta di sfruttare l'energia del sole. Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno confuso la struttura atomica dello strato superficiale dei nanocristalli di biossido di titanio, creando un catalizzatore che è sia di lunga durata che più efficiente di tutti gli altri materiali nell'usare l'energia del sole per estrarre l'idrogeno dall'acqua.
Il loro fotocatalizzatore, che accelera le reazioni chimiche guidate dalla luce, è il primo a combinare durata ed efficienza da record, rendendolo un contendente per l'uso in diverse tecnologie di energia pulita.
Potrebbe offrire un modo non inquinante per produrre idrogeno da utilizzare come vettore energetico nelle celle a combustibile. Le celle a combustibile sono state considerate un'alternativa ai motori a combustione nei veicoli. Idrogeno molecolare, però, esiste naturalmente sulla Terra solo in concentrazioni molto basse. Deve essere estratto da materie prime come gas naturale o acqua, un processo ad alta intensità energetica che è uno degli ostacoli all'implementazione diffusa della tecnologia.
"Stiamo cercando di trovare modi migliori per generare idrogeno dall'acqua usando il sole, "dice Samuel Mao, uno scienziato della divisione Environmental Energy Technologies di Berkeley Lab che ha guidato la ricerca. “In questo lavoro, abbiamo introdotto il disordine nei nanocristalli di biossido di titanio, che migliora notevolmente la sua capacità di assorbimento della luce e l'efficienza nella produzione di idrogeno dall'acqua.
Mao è l'autore corrispondente di un articolo su questa ricerca che è stato pubblicato online il 20 gennaio, 2011 in Science Express con il titolo “Aumento dell'assorbimento solare per la fotocatalisi con il nero, Nanocristalli di biossido di titanio idrogenato. Lei Liu, e Peter Yu.
Mao e il suo gruppo di ricerca hanno iniziato con nanocristalli di biossido di titanio, che è un materiale semiconduttore che viene utilizzato come fotocatalizzatore per accelerare le reazioni chimiche, come sfruttare l'energia del sole per fornire elettroni che dividono l'acqua in ossigeno e idrogeno. Sebbene durevole, il biossido di titanio non è un fotocatalizzatore molto efficiente. Gli scienziati hanno lavorato per aumentarne l'efficienza aggiungendo impurità e apportando altre modifiche.
Gli scienziati del Berkeley Lab hanno provato un nuovo approccio. Oltre ad aggiungere impurità, hanno progettato il disordine nella struttura reticolare atomo per atomo ordinariamente perfetta dello strato superficiale dei nanocristalli di biossido di titanio. Questo disturbo è stato introdotto tramite idrogenazione.
Il risultato è il primo nanocristallo disordinato. Una trasformazione era ovvia:i nanocristalli di biossido di titanio solitamente bianchi diventavano neri, un segno che il disordine ingegnerizzato ha prodotto l'assorbimento dell'infrarosso.
Gli scienziati hanno anche ipotizzato che il disturbo abbia potenziato le prestazioni del fotocatalizzatore. Per scoprire se la loro impressione era corretta, hanno immerso i nanocristalli disordinati nell'acqua e li hanno esposti alla luce solare simulata. Hanno scoperto che il 24 percento della luce solare assorbita dal fotocatalizzatore è stata convertita in idrogeno, una velocità di produzione che è circa 100 volte maggiore delle rese della maggior parte dei fotocatalizzatori a semiconduttore.
Inoltre, il loro fotocatalizzatore non ha mostrato alcun segno di degrado durante un periodo di test di 22 giorni, il che significa che è potenzialmente abbastanza resistente per l'uso nel mondo reale.
Samuel Mao, scienziato del Berkeley Lab, guida un team di ricerca alla ricerca di modi sostenibili per generare idrogeno da utilizzare nelle tecnologie per l'energia pulita. In uno sviluppo unico nel suo genere, hanno confuso lo strato superficiale di nanocristalli di biossido di titanio, un'impresa che ha trasformato il materiale dal bianco al nero. Ha anche creato un fotocatalizzatore la cui efficienza supera gli altri nell'usare l'energia del sole per estrarre l'idrogeno dall'acqua. (Foto di Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab Public Affairs)
La sua efficienza punto di riferimento deriva in gran parte dalla capacità del fotocatalizzatore di assorbire la luce infrarossa, rendendolo il primo fotocatalizzatore di biossido di titanio ad assorbire la luce in questa lunghezza d'onda. Assorbe anche la luce visibile e ultravioletta. In contrasto, la maggior parte dei fotocatalizzatori al biossido di titanio assorbe solo la luce ultravioletta, e quelli contenenti difetti possono assorbire la luce visibile. La luce ultravioletta rappresenta meno del dieci percento dell'energia solare.
“Più energia solare può essere assorbita da un fotocatalizzatore, più elettroni possono essere forniti a una reazione chimica, che rende il biossido di titanio nero un materiale molto attraente, "dice Mao, che è anche professore a contratto di ingegneria presso l'Università della California a Berkeley.
Le intriganti scoperte sperimentali del team sono state ulteriormente chiarite dai fisici teorici Peter Yu e Lei Liu, che ha esplorato come il disordine del reticolo di atomi sulla superficie del nanocristallo tramite idrogenazione ne modifica le proprietà elettroniche. I loro calcoli hanno rivelato che il disordine, sotto forma di difetti reticolari e idrogeno, permette ai fotoni in arrivo di eccitare gli elettroni, che poi saltano attraverso uno spazio vuoto in cui non possono esistere stati di elettroni. Una volta superato questo divario, gli elettroni sono liberi di energizzare la reazione chimica che scinde l'acqua in idrogeno e ossigeno.
“Introducendo un tipo specifico di disturbo, si creano stati elettronici mid-gap accompagnati da un gap di banda ridotto, "dice Yu, che è anche professore all'Università della California presso il Dipartimento di Fisica di Berkeley. “Ciò rende possibile che la parte infrarossa dello spettro solare venga assorbita e contribuisca alla fotocatalisi”.
Questa ricerca è stata supportata dall'Ufficio per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili del Dipartimento dell'Energia. La microscopia elettronica a trasmissione utilizzata per studiare i nanocristalli su scala atomica è stata eseguita presso il National Center for Electron Microscopy, una struttura utente nazionale situata presso il Berkeley Lab.
