L'idrogeno è fondamentale per l'industria della raffinazione del petrolio e per la produzione di sostanze chimiche essenziali come l'ammoniaca utilizzata nei fertilizzanti. Poiché la produzione di idrogeno è costosa, gli scienziati hanno cercato a lungo un'alternativa, metodi efficienti dal punto di vista energetico per separare gli atomi di idrogeno da fonti abbondanti come l'acqua.

Strutture su scala nanometrica costituite da sfere di metallo e ossido a basso costo sono state recentemente dimostrate come un eccellente catalizzatore per una reazione di produzione di idrogeno alimentata solo dalla luce solare. Lo studio è stato completato da Ming-Yong Han e dai suoi colleghi dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore, lavorando in collaborazione con un team di ricercatori di Singapore e Francia.

Han e il suo team hanno mescolato sfere d'oro di 50 nanometri di diametro in un precursore di biossido di titanio in modo tale che una sfera di biossido di titanio si sia formata sul lato di ciascuna nanoparticella d'oro. Le strutture con questa disposizione a due sfere sono note come particelle di Janus, prende il nome dal dio a due teste della mitologia romana. Mentre le particelle di Janus erano sospese in una miscela di acqua e alcol isopropilico, Han e colleghi hanno puntato su di loro la luce visibile e misurato la produzione di idrogeno, che procedeva alla velocità di 2 millilitri al minuto.

I ricercatori hanno quindi utilizzato modelli teorici per dimostrare che questo tasso di produzione è stato causato dai cosiddetti effetti plasmonici:cioè, gli elettroni sulla superficie della nanoparticella d'oro alla giunzione con il biossido di titanio accoppiato alla luce in arrivo e formarono particelle ibride luce-materia chiamate polaritoni plasmonici. L'energia assorbita da queste particelle è poi passata nel liquido circostante, e questo ha guidato la reazione chimica di rilascio dell'idrogeno.

"Il nostro lavoro fornisce informazioni sui meccanismi che saranno utili per lo sviluppo futuro di fotocatalizzatori ad alte prestazioni, " dice Han. Infatti, Han ei suoi collaboratori sono stati in grado di migliorare ulteriormente l'efficienza della produzione di idrogeno:hanno aumentato l'area dell'interfaccia metallo-ossido utilizzando nanoparticelle d'oro più grandi.

Le particelle di Janus erano 100 volte più efficienti come catalizzatore per la produzione di idrogeno rispetto alle nanoparticelle di oro nudo. Inoltre, erano oltre una volta e mezzo migliori di un altro tipo comune di nanoparticelle plasmoniche, particelle nucleo-guscio, in cui il materiale ossido forma un rivestimento attorno alla nanoparticella metallica.

"Speriamo poi di sviluppare una migliore comprensione dei processi che si verificano nell'interfaccia metallo-titanio-biossido utilizzando una combinazione di osservazioni sperimentali e simulazioni teoriche, ", afferma Han. "Questo ci avvicinerà al nostro obiettivo finale di utilizzare l'illuminazione solare come abbondante fonte di energia rinnovabile".