Gli scienziati della Rice University e dell'Università di Houston hanno creato un catalizzatore da tre elementi:ferro, manganese e fosforo, e poi lo ha rivestito uniformemente su una serie di nanotubi di biossido di titanio per creare un fotoanodo altamente efficiente per la fotosintesi artificiale. Credito:Whitmire Research Group/Rice University
Gli scienziati della Rice University hanno creato un efficiente, catalizzatore per l'evoluzione dell'ossigeno di semplice produzione che si accoppia bene con i semiconduttori per la scissione dell'acqua solare, la conversione dell'energia solare in energia chimica sotto forma di idrogeno e ossigeno.
Il laboratorio di Kenton Whitmire, un professore di chimica del riso, ha collaborato con i ricercatori dell'Università di Houston e ha scoperto che la crescita di uno strato di un catalizzatore attivo direttamente sulla superficie di una serie di nanobarre che assorbono la luce produce un materiale di fotosintesi artificiale che potrebbe dividere l'acqua al pieno potenziale teorico del semiconduttore che assorbe la luce con la luce del sole.
Un catalizzatore per l'evoluzione dell'ossigeno divide l'acqua in idrogeno e ossigeno. Trovare una fonte rinnovabile pulita di idrogeno è il fulcro di un'ampia ricerca, ma la tecnologia non è stata ancora commercializzata.
Il team di Rice ha trovato un modo per combinare tre dei metalli più abbondanti:ferro, manganese e fosforo, in un precursore che può essere depositato direttamente su qualsiasi substrato senza danneggiarlo.
Per dimostrare il materiale, il laboratorio ha posizionato il precursore nel suo forno di deposizione chimica da vapore (CVD) personalizzato e lo ha utilizzato per rivestire una serie di materiali che assorbono la luce, nanotubi semiconduttori di biossido di titanio. Il materiale combinato, chiamato fotoanodo, ha mostrato un'eccellente stabilità raggiungendo una densità di corrente di 10 milliampere per centimetro quadrato, hanno riferito i ricercatori.
Una foto mostra una serie di nanotubi di biossido di titanio con un rivestimento uniforme di ferro, catalizzatore di manganese e fosforo. La combinazione sviluppata dagli scienziati della Rice University e dell'Università di Houston è un fotoanodo altamente efficiente per la fotosintesi artificiale. Credito:Whitmire Research Group/Rice University
I risultati appaiono in due nuovi studi. Il primo, sulla realizzazione dei film, appare in Chimica:una rivista europea . Il secondo, che dettaglia la creazione di fotoanodi, appare in ACS Nano .
Whitmire ha detto che il catalizzatore è cresciuto da un precursore molecolare progettato per produrlo dopo la decomposizione, e il processo è scalabile. Il laboratorio del riso ha combinato il ferro, manganese e fosforo (FeMnP) in una molecola che si converte in gas quando viene applicato il vuoto. Quando questo gas incontra una superficie calda tramite CVD, si decompone per ricoprire una superficie con il catalizzatore FeMnP.
I ricercatori affermano che il loro film è "il primo film sottile di fosfuro eterobimetallico" creato dal ferro, manganese e fosforo che inizia come un unico precursore. I film risultanti contengono array esagonali stabili di atomi che, fino ad ora, era stato visto solo a temperature superiori a 1, 200 gradi Celsius. I film Rice sono stati creati a 350 gradi C in 30 minuti.
"Temperature superiori a 1, 200 C distruggono l'array di semiconduttori, " ha detto Whitmire. "Ma questi film possono essere realizzati a basse temperature, consentendo loro di rivestire e interagire in modo uniforme con il fotoassorbitore e creare un elettrodo ibrido".
I ricercatori hanno rivestito le matrici tridimensionali di nanotubi di biossido di titanio con la pellicola dall'aspetto metallico. Il materiale composito ha mostrato potenziale come semiconduttore ad alta superficie per celle fotoelettrochimiche.
Il ricercatore post-dottorato della Rice University Andrew Leitner prepara un catalizzatore per l'evoluzione dell'ossigeno. Quando applicato uniformemente a un semiconduttore, il film catalizza la scissione dell'acqua solare per la produzione di energia e altre applicazioni. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
La crescita del rivestimento in metallo di transizione direttamente sui nanotubi consente il massimo contatto tra i due, disse Whitmire. "Quel metallico, l'interfaccia conduttiva tra il semiconduttore e la superficie catalitica attiva è fondamentale per il funzionamento di questo dispositivo, " Egli ha detto.
Il film ha anche proprietà ferromagnetiche, in cui i momenti magnetici degli atomi si allineano nella stessa direzione. Il film ha una bassa temperatura di Curie, la temperatura alla quale devono essere indotte le proprietà magnetiche di alcuni materiali. Potrebbe essere utile per la refrigerazione magnetica, hanno detto i ricercatori.
Avendo stabilito la loro tecnica, Whitmire ha affermato che ora sarà molto più facile studiare i catalizzatori ibridi per molte applicazioni, compresa la produzione petrolchimica, conversione energetica e refrigerazione.
"Sembra che quando piove, diluvia, " ha detto. "Abbiamo passato molto tempo a mettere insieme tutto, e ora all'improvviso ci sono troppe cose da fare."
