Un team dell’UPC e dell’Istituto catalano di nanoscienza e nanotecnologia (ICN2) ha progettato un fotocatalizzatore efficiente e stabile in grado di produrre idrogeno direttamente utilizzando la luce solare. I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Communications .
L’idrogeno è essenziale per questa transizione energetica, purché sia prodotto da fonti rinnovabili (idrogeno verde). È noto da tempo che gli elettroni in alcuni semiconduttori possono partecipare a reazioni chimiche quando illuminati dalla luce solare.
È il caso del biossido di titanio, un materiale economico e innocuo ampiamente utilizzato come pigmento bianco in vernici, plastica, carta, inchiostri e cosmetici. Gli elettroni eccitati nel biossido di titanio sono in grado di generare idrogeno dai protoni presenti nell'acqua e nei composti organici. Tuttavia, la produzione di idrogeno è molto bassa perché gli elettroni tendono a rilassarsi anziché reagire, quindi l'efficienza del processo è troppo bassa da un punto di vista pratico.
Questa limitazione può essere superata portando il biossido di titanio a contatto con nanoparticelle metalliche, che agiscono come filtri elettronici, allungando la vita degli elettroni nello stato eccitato in modo che possano reagire e produrre idrogeno. Questo ci consente di ottenere rendimenti centinaia di volte superiori.
Questo studio rappresenta un passo avanti verso la produzione sostenibile di idrogeno. È stato guidato dal ricercatore Ramón y Cajal Lluís Soler e dal professore Jordi Llorca del gruppo di ricerca ENCORE-NEMEN del Dipartimento di Ingegneria Chimica e dell'Istituto di Tecnologie Energetiche dell'Universitat Politècnica de Catalunya—BarcelonaTech (UPC). Fanno anche parte del Centro Specifico per la Ricerca sull'Idrogeno (CER-H2).
Utilizzando un processo meccanochimico, i ricercatori hanno depositato cluster metallici su nanoparticelle di biossido di titanio di varie morfologie e hanno scoperto che anche le diverse facce cristallografiche esposte del biossido di titanio svolgono un ruolo chiave nella produzione di idrogeno. Sia la stabilità dei fotocatalizzatori che la forza del trasferimento di elettroni tra il semiconduttore e le nanoparticelle metalliche sono fortemente correlate alle facce esposte del semiconduttore, che sono responsabili della mobilità e dell'aggregazione degli atomi.
I risultati sono chiari. Quando i cluster di platino vengono depositati su nanoparticelle ottaedriche di biossido di titanio, si ottiene un fotocatalizzatore che produce quantità maggiori di idrogeno e, soprattutto, è molto più stabile di qualsiasi altra combinazione. Lo studio è un notevole esempio di come la nanotecnologia possa essere applicata alla progettazione di nuovi dispositivi nel campo dell'energia.
Per comprendere i risultati, Claudio Cazorla, ricercatore Ramón y Cajal del Dipartimento di Fisica dell'UPC, ha effettuato calcoli quantomeccanici per studiare la struttura elettronica dei fotocatalizzatori, che sono stati confrontati con i risultati della spettroscopia fotoelettronica a raggi X ottenuti presso il Centro Ricerche dell'UPC. in scienza e ingegneria multiscala. Il centro si trova nel Campus Diagonal-Besòs, così come la Barcelona East School of Engineering (EEBE), dove insegnano anche i ricercatori.
I risultati di questa ricerca consentiranno la progettazione di nuovi catalizzatori per la produzione efficiente e sostenibile di idrogeno verde. Il lavoro è già in corso presso l'UPC presso il Centro specifico per la ricerca sull'idrogeno per mettere in pratica questi risultati.
Ulteriori informazioni: Yufen Chen et al, TiO2 sfaccettato guida l'attività fotocatalitica e la stabilità dei cluster di metalli nobili supportati durante l'evoluzione dell'H2, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41976-2
Fornito da Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC)
