I ricercatori di tutto il mondo stanno cercando di sviluppare generatori a energia solare in grado di dividere l'acqua, producendo idrogeno gassoso che potrebbe essere utilizzato come combustibile pulito. Un tale dispositivo richiede materiali efficienti per l'assorbimento della luce che attraggono e trattengono la luce solare per guidare le reazioni chimiche coinvolte nella scissione dell'acqua. I semiconduttori come il silicio e l'arseniuro di gallio sono eccellenti assorbitori di luce, come risulta dal loro uso diffuso nei pannelli solari. Però, questi materiali arrugginiscono quando sono immersi nel tipo di soluzioni acquose presenti in tali sistemi.

Ora i ricercatori del Caltech presso il Centro comune per la fotosintesi artificiale (JCAP) hanno ideato un metodo per proteggere questi semiconduttori comuni dalla corrosione anche se i materiali continuano ad assorbire la luce in modo efficiente. La scoperta apre la strada all'uso di questi materiali nei generatori a combustibile solare.

"Per la parte migliore di mezzo secolo, questi materiali sono stati considerati fuori dal comune per questo tipo di utilizzo, "dice Nate Lewis, il professore George L. Argyros e professore di chimica al Caltech, e il ricercatore principale sulla carta. "Ma non abbiamo rinunciato allo sviluppo di schemi con cui potevamo proteggerli, e ora questi semiconduttori tecnologicamente importanti sono tornati sul tavolo."

La ricerca, guidato da Shu Hu, uno studioso post-dottorato in chimica al Caltech, appare nel numero del 30 maggio della rivista Scienza .

Nel tipo di generatore integrato a combustibile solare che JCAP si sforza di produrre, devono aver luogo due semireazioni:una che implica l'ossidazione dell'acqua per produrre ossigeno gassoso; l'altro che riguarda la riduzione dell'acqua, producendo gas idrogeno. Ogni semireazione richiede sia un materiale che assorbe la luce che funga da fotoelettrodo sia un catalizzatore per guidare la chimica. Inoltre, le due reazioni devono essere fisicamente separate da una barriera per evitare di produrre una miscela esplosiva dei loro prodotti.

Storicamente, è stato particolarmente difficile trovare un materiale che assorba la luce e che esegua in modo robusto la semireazione di ossidazione. I ricercatori hanno provato, senza molto successo, una varietà di materiali e numerose tecniche per rivestire i comuni semiconduttori che assorbono la luce. Il problema è che se lo strato protettivo è troppo sottile, la soluzione acquosa penetra e corrode il semiconduttore. Se, d'altra parte, lo strato è troppo spesso, previene la corrosione ma impedisce anche al semiconduttore di assorbire la luce e impedisce agli elettroni di attraversarli per raggiungere il catalizzatore che guida la reazione.

Al Caltech, i ricercatori hanno utilizzato un processo chiamato deposizione di strati atomici per formare uno strato di biossido di titanio (TiO2), un materiale che si trova nella vernice bianca e in molti dentifrici e creme solari, su singoli cristalli di silicio, arseniuro di gallio, o fosfuro di gallio. La chiave era che usavano una forma di TiO2 nota come "TiO2 che perde", perché perde elettricità. Realizzato per la prima volta negli anni '90 come materiale che potrebbe essere utile per la costruzione di chip per computer, gli ossidi che perdono sono stati respinti come indesiderabili a causa del loro comportamento di perdita di carica. Però, Il TiO2 che perde sembra essere proprio ciò che era necessario per questa applicazione di generatore di carburante solare. Depositato come un film, di spessore compreso tra 4 e 143 nanometri, il TiO2 è rimasto otticamente trasparente sui cristalli semiconduttori, consentendo loro di assorbire la luce, e li ha protetti dalla corrosione, ma ha permesso agli elettroni di passare con una resistenza minima.

Sopra il TiO2, i ricercatori hanno depositato "isole" spesse 100 nanometri di un abbondante, materiale economico di ossido di nichel che ha catalizzato con successo l'ossidazione dell'acqua per formare ossigeno molecolare.

Il lavoro sembra ora rendere disponibile una serie di scelte come possibili materiali che assorbono la luce per il lato dell'ossidazione dell'equazione di scissione dell'acqua. Però, sottolineano i ricercatori, non è ancora noto se il rivestimento protettivo funzionerebbe altrettanto bene se applicato utilizzando un economico, tecnica di applicazione meno controllata, come dipingere o spruzzare il TiO2 su un semiconduttore. Anche, finora, il team Caltech ha testato i semiconduttori rivestiti solo per poche centinaia di ore di illuminazione continua.

"Si tratta già di un record in termini di efficienza e stabilità per questo campo, ma non sappiamo ancora se il sistema fallisce a lungo termine e stiamo cercando di fare qualcosa che durerà per anni su vaste aree, al contrario delle settimane, " dice Lewis. "Questo è il prossimo passo."