In un articolo sulla rivista Scienze energetiche e ambientali , ricercatori dell'Università di Uppsala, Svezia, presentare un tipo di nanomateriale polimerico organico a basso costo e rispettoso dell'ambiente come fotocatalizzatori per la generazione di idrogeno, e proporre il meccanismo di funzionamento del sito reattivo fotocatalitico.
Lo sviluppo di fotocatalizzatori per la generazione di idrogeno dall'acqua guidata dalla luce è un modo ideale per convertire e immagazzinare l'energia solare. A causa del limitato assorbimento della luce, alto costo e potenziale inquinante metallico da catalizzatori inorganici, gli scienziati hanno iniziato a cercare un'alternativa organica. In questo lavoro, i ricercatori di Uppsala hanno studiato polimeri organici come fotocatalizzatori (catalizzatori guidati dalla luce). Il collo di bottiglia di tutti i fotocatalitici organici esistenti è che sono idrofobici (insolubili in acqua), rendendo difficile la penetrazione dei protoni nei pori dei materiali e l'interazione con i siti reattivi. Di conseguenza, le prestazioni della fotocatalisi basata su tali materiali sono ancora inferiori a quelle dei tradizionali fotocatalizzatori inorganici a base di metalli. Gli scienziati devono aggiungere molto solvente organico nel reattore per ottenere una buona dispensabilità del fotocatalizzatore polimerico organico.
L'utilizzo di un cosiddetto metodo di precipitazione su scala nanometrica per preparare il fotocatalizzatore polimerico organico in piccole particelle su scala nanometrica (Pdots) può rendere il fotocatalizzatore organico ben disperso in una soluzione acquosa. "Con l'aiuto del copolimero idrofilo, siamo in grado di fornire canali protonici all'interno del fotocatalizzatore Pdot per imitare il sistema di fotosintesi naturale. Questo può migliorare notevolmente le prestazioni della generazione di idrogeno", afferma Haining Tian, Docente del Dipartimento di Chimica - Laboratorio Ångström. Il suo gruppo di ricerca ha pubblicato lo scorso anno il lavoro di proof-of-concept (in Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55(40), 12306). Per comprendere meglio il sistema e migliorarlo ulteriormente, Haining Tian insieme al suo collega di ricerca C. Moyses Araujo del Dipartimento di Fisica- Laboratoryngström Laboratory hanno condotto congiuntamente il lavoro per estrarre i siti reattivi nei fotocatalitici Pdot e nel meccanismo di lavoro fotocatalitico.
Sintonizzando la struttura dei polimeri e valutando diversi meccanismi fotocatalitici, i ricercatori sono riusciti a trovare approssimativamente i siti reattivi situati nelle unità accettore di elettroni e hanno concluso che gli eteroatomi dovrebbero svolgere un ruolo cruciale sulla fotocatalisi. "È difficile ottenere sperimentalmente informazioni accurate su quale eteroatomo, o N o S, è il sito reattivo nell'unità accettore di elettroni", afferma Haining Tian. Con l'aiuto di uno studio computazionale basato sulla teoria dei primi principi, gli scienziati alla fine hanno preso di mira il vero sito reattivo nei fotocatalizzatori Pdots – gli atomi di N – e hanno anche concluso che l'esclusiva struttura Pdots è vantaggiosa per la reazione di riduzione dei protoni. "Il legame idrogeno formato tra due polimeri nei fotocatalizzatori Pdot riduce significativamente la barriera energetica della reazione di riduzione dei protoni. Il Pdots è davvero un tipo di fotocatalizzatori ideali", afferma C. Moyses Araujo.
Sulla base di questo lavoro, gli scienziati ora puntano a un catalizzatore Pdots più efficiente e stabile regolando ragionevolmente la struttura del polimero per la generazione di idrogeno guidata dalla luce.
