Un pomeriggio, Mohammad Islam della Carnegie Mellon University Materials Science and Engineering (MSE) è entrato nell'ufficio del collega Paul Salvador e ha chiesto quale fosse il problema più grande nella fotocatalisi che gli sarebbe piaciuto essere in grado di risolvere. La risposta di Salvador:vorrebbe determinare come le reazioni di ossidazione e riduzione nella fotocatalisi potrebbero essere separate in canali distinti per aumentare le prestazioni.

Un fotocatalizzatore, che utilizza l'energia della luce per accelerare una reazione, tipicamente facilita due reazioni:una reazione di ossidazione e una reazione di riduzione. Sono utilizzati nella generazione di idrogeno, nella bonifica del biofouling ambientale, e potenzialmente per uccidere i batteri resistenti ai farmaci.

"Stiamo realizzando nanotubi di carbonio aperti, "rispose l'Islam, professore di ricerca del MSE, "quindi che ne dici di mettere il fotocatalizzatore all'esterno e il co-catalizzatore all'interno di ciascun nanotubo?"

Salvatore, professore di MSE, disse che pensava fosse una soluzione elegante, ma era possibile?

Così si formò una squadra che comprendeva l'Islam, Salvatore, e professore MSE e capo del dipartimento Greg Rohrer, con dottorato di ricerca studente Hang-Ah Park, studente di master Siyuan Liu, e l'ex postdoc Youngseok Oh (attualmente uno scienziato senior presso il Korea Institute of Materials Science). Recentemente, il team ha pubblicato un documento sul loro nuovo approccio all'ottimizzazione dei fotocatalizzatori. Come molti progetti di ricerca Carnegie Mellon, il progetto è iniziato con un problema che poteva essere risolto solo attraverso la collaborazione.

La sfida:i fotocatalizzatori devono essere economici, efficiente, e rispettoso dell'ambiente. Sebbene gli attuali fotocatalizzatori possano essere poco costosi, o hanno un'alta tossicità o non funzionano bene.

In un fotocatalizzatore, sia la reazione di ossidazione che la reazione di riduzione devono essere ottimizzate, così come lo spazio tra queste reazioni. Tipicamente, un fotocatalizzatore che è bravo a eseguire un tipo di reazione (come l'ossidazione) ha aggiunto un co-catalizzatore che è bravo a eseguire la reazione opposta (riduzione). Anche se questo aiuta con l'ottimizzazione, le reazioni non sono del tutto separate, e quindi, prodotti come idrogeno e ossigeno sono generati nello stesso spazio.

"Immagina di avere una sfera delle dimensioni di un micrometro nota per essere brava nell'ossidazione, e ci si aggiungono piccoli emisferi co-catalizzatori noti per essere bravi a ridurre (tipicamente 10 nanometri), " dice Rohrer. "Anche se le reazioni sono tecnicamente separate, stanno ancora accadendo nelle immediate vicinanze, che diminuisce le prestazioni del fotocatalizzatore. Così, li mettiamo in canali completamente diversi."

Ciò che rende il loro lavoro nuovo non è la completa separazione dei canali, ben noto nelle celle fotoelettrochimiche standard (PEC), ma che hanno portato una PEC su scala nanometrica, sviluppato array massicciamente paralleli di quei PEC su nanoscala, e mantenne la completa separazione.

"È un'idea molto semplice, " dice Salvador. "Molti di noi hanno fatto esperimenti di laboratorio al liceo o all'università utilizzando PEC tradizionali, che separano i prodotti in due grandi bicchieri. Abbiamo preso quell'enorme PEC dal laboratorio di chimica e l'abbiamo portato su scala nanometrica, e poi ne abbiamo fabbricate migliaia che operano in parallelo. In quel processo, abbiamo trovato alcuni interessanti nuovi comportamenti fondamentali dei materiali, compresa l'elevata attività alla luce visibile, e ho visto una performance fenomenale che ha molte applicazioni."

Una grande applicazione dei fotocatalizzatori è nella bonifica del biofouling ambientale, o rimuovere organismi come cirripedi e alghe da superfici come tubi. Un'altra applicazione consiste nell'uccidere i batteri resistenti ai farmaci. Molti ospedali, Per esempio, utilizzare vernici cariche di titanio e irradiate con luce UV per disinfettare pareti o altre superfici. Ma con il nuovo metodo fotocatalitico, possono usare la luce visibile, che è molto più sicuro. Finalmente, durante la generazione dell'idrogeno i loro fotocatalizzatori sopprimono la miscelazione dei gas prodotti, un importante progresso.

"La domanda ora è, perché va molto meglio?" dice Islam. "Perché è diventato fotoattivo nella luce visibile quando lo faccio con i nanotubi di carbonio e il titanio? Quali sono i parametri che possiamo modificare per renderlo migliore? Questa è la direzione in cui stiamo andando".