(Phys.org) — Una tecnica ingegneristica unica su scala atomica per trasformare nanoparticelle fotocatalitiche "bianche" di biossido di titanio a bassa efficienza in nanoparticelle "nere" ad alta efficienza potrebbe essere la chiave per tecnologie energetiche pulite basate sull'idrogeno.

Samuele Mao, uno scienziato che tiene appuntamenti congiunti con la divisione Environmental Energy Technologies di Berkeley Lab e l'Università della California a Berkeley, guida lo sviluppo di una tecnica per il disordine ingegneristico nella struttura nanocristallina del biossido di titanio semiconduttore. Questo trasforma i cristalli naturalmente bianchi di colore nero, un segno che i cristalli sono ora in grado di assorbire l'infrarosso, la luce visibile e quella ultravioletta. Lo spettro di assorbimento espanso migliora sostanzialmente l'efficienza con cui il biossido di titanio nero può utilizzare la luce solare per dividere le molecole d'acqua per la produzione di idrogeno.

"Abbiamo dimostrato che le nanoparticelle di biossido di titanio nero sono in grado di generare idrogeno attraverso reazioni fotocatalitiche azionate dal sole con un'efficienza record, Ha detto Mao in un discorso al meeting nazionale dell'American Chemical Society (ACS) a New Orleans.

"La sintesi delle nanoparticelle di biossido di titanio nero si è basata su un processo di idrogenazione in cui i nanocristalli di biossido di titanio bianco sono stati sottoposti a gas idrogeno ad alta pressione, " ha detto Mao. "La struttura unica disordinata crea un fotocatalizzatore che è sia durevole che efficiente, e dà biossido di titanio, uno dei più studiati di tutti i materiali di ossido, un rinnovato potenziale».

La promessa dell'idrogeno nelle batterie o nei combustibili è una fonte di energia pulita e rinnovabile che non aggrava il cambiamento climatico globale. La sfida è produrlo in serie a costi contenuti. Nonostante sia l'elemento più abbondante nell'universo, l'idrogeno puro è scarso sulla Terra perché l'idrogeno si combina con qualsiasi altro tipo di atomo. L'utilizzo dell'energia solare per dividere la molecola d'acqua in idrogeno e ossigeno è il modo ideale per produrre idrogeno puro. Questo, però, richiede un fotocatalizzatore efficiente che l'acqua non corroda. Il biossido di titanio può resistere all'acqua ma fino al lavoro di Mao e del suo gruppo era in grado di assorbire solo la luce ultravioletta, che rappresenta appena il dieci percento dell'energia solare.

Nel suo discorso sull'ACS, intitolato "Disorder Engineering:Turning Titanium Bioxide Nanoparticles Black, " Mao descrisse come sviluppò il concetto di "ingegneria del disordine, " e come l'introduzione di disturbi idrogenati crea stati energetici mid-band gap al di sopra del massimo della banda di valenza per migliorare la mobilità dell'idrogeno. I suoi studi non solo hanno prodotto un nuovo promettente fotocatalizzatore per la generazione di idrogeno, ma hanno anche contribuito a dissipare alcune credenze scientifiche ampiamente diffuse.

"I nostri test hanno dimostrato che un buon fotocatalizzatore a semiconduttore non deve essere un singolo cristallo con difetti minimi e livelli di energia appena al di sotto della banda di conduzione, " disse Mao.

Gli studi di caratterizzazione presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab hanno anche aiutato a rispondere alla domanda su quanto dell'idrogeno rilevato nei loro esperimenti provenga dalla reazione fotocatalitica, e quanto deriva dall'idrogeno assorbito nell'ossido di titanio durante il processo di sintesi dell'idrogenazione.

"Le nostre misurazioni indicano che solo una piccolissima quantità di idrogeno viene assorbita nel biossido di titanio nero, circa 0,05 milligrammi, rispetto ai 40 milligrammi di idrogeno rilevati durante un esperimento di produzione di idrogeno a energia solare di 100 ore, " disse Mao.