La luce solare ricevuta dalla Terra è un miscuglio di lunghezze d'onda che vanno dall'ultravioletto al visibile all'infrarosso. Ogni lunghezza d’onda trasporta energia intrinseca che, se sfruttata in modo efficace, ha un grande potenziale per facilitare la produzione di idrogeno solare e ridurre la dipendenza da fonti energetiche non rinnovabili. Tuttavia, le tecnologie esistenti per la produzione di idrogeno solare si trovano ad affrontare limitazioni nell'assorbire la luce in questo ampio spettro, in particolare non riuscendo a sfruttare il potenziale dell'energia luminosa nel vicino infrarosso (NIR) che raggiunge la Terra.
Ricerche recenti hanno identificato che sia Au che Cu7 S4 le nanostrutture mostrano una caratteristica ottica distintiva nota come risonanza plasmonica di superficie localizzata (LSPR).
Può essere regolato con precisione per assorbire le lunghezze d'onda che spaziano dallo spettro dal visibile al NIR. Un team di ricercatori, guidato dal professore associato Tso-Fu Mark Chang e dal docente Chun-Yi Chen del Tokyo Institute of Technology, e dal professor Yung-Jung Hsu dell'Università nazionale Yang Ming Chiao Tung, ha colto questa possibilità e ha sviluppato un innovativo Au@ Cu7 S4 yolk@shell nanocristallo in grado di produrre idrogeno quando esposto sia alla luce visibile che a quella NIR.
I loro risultati sono pubblicati su Nature Communications .
"Ci siamo resi conto che negli ultimi giorni la produzione di idrogeno ad ampio spettro sta guadagnando slancio come potenziale fonte di energia verde. Allo stesso tempo, abbiamo visto che non c'erano molte opzioni attualmente disponibili per i fotocatalizzatori in grado di rispondere all'irradiazione NIR", affermano Il dottor Hsu e il dottor Chang. "Così, abbiamo deciso di crearne uno combinando due promettenti nanostrutture, vale a dire Au e Cu7 S4 , con funzionalità LSPR personalizzabili."
Il gruppo di ricerca ha utilizzato una reazione di scambio ionico per la sintesi di Au@Cu7 S4 nanocristalli, che sono stati successivamente analizzati utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione, la spettroscopia di assorbimento dei raggi X e la spettroscopia di assorbimento transitorio per studiare le proprietà strutturali e ottiche.
Queste indagini hanno confermato che Au@Cu7 S4 presenta una nanostruttura tuorlo@guscio dotata di proprietà ottiche dual-plasmoniche. Inoltre, i dati della spettroscopia ultraveloce hanno rivelato che Au@Cu7 S4 ha mantenuto stati di separazione della carica di lunga durata quando esposto sia alla luce visibile che a quella NIR, evidenziando il suo potenziale per un'efficiente conversione dell'energia solare.
Il gruppo di ricerca ha scoperto che le nanostrutture yolk@shell inerenti all'Au@Cu7 S4 i nanocristalli hanno notevolmente migliorato le loro capacità fotocatalitiche.
"Lo spazio confinato all'interno del guscio cavo ha migliorato la cinetica di diffusione molecolare, aumentando così le interazioni tra le specie reattive. Inoltre, la mobilità delle particelle di tuorlo ha svolto un ruolo cruciale nello stabilire un ambiente di reazione omogeneo poiché erano in grado di agitare efficacemente la soluzione di reazione ," spiega il dottor Chen.
Di conseguenza, questo fotocatalizzatore innovativo ha raggiunto una resa quantica di picco del 9,4% nel campo del visibile (500 nm) e una resa quantica record del 7,3% nel campo del NIR (2200 nm) per la produzione di idrogeno. Particolarmente, a differenza dei sistemi fotocatalitici convenzionali, questo nuovo approccio elimina la necessità di co-catalizzatori per migliorare le reazioni di produzione di idrogeno.
Nel complesso, lo studio introduce una piattaforma fotocatalitica sostenibile per la generazione di combustibile solare che vanta notevoli capacità di produzione di idrogeno e sensibilità a un ampio spettro di luce. Mostra il potenziale di sfruttare le proprietà LSPR di Au e Cu7 S4 per la cattura efficace dell'energia NIR precedentemente non sfruttata.
"Siamo ottimisti sul fatto che i nostri risultati stimoleranno ulteriori indagini sulla modifica delle proprietà LSPR di semiconduttori autodrogati e non stechiometrici, con l'obiettivo di creare fotocatalizzatori reattivi su un ampio spettro per una varietà di applicazioni ad energia solare", concludono il Dr. Hsu e il Dr. Chang.
Ulteriori informazioni: Chun-Wen Tsao et al, Nanocristalli dual-plasmonica Au@Cu7S4 yolk@shell per la produzione di idrogeno fotocatalitico nella regione spettrale dal visibile al vicino infrarosso, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44664-3
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dal Tokyo Institute of Technology
