Un gruppo di ricerca composto da membri dell'Istituto egiziano di ricerca sul petrolio e del Laboratorio di ingegneria dei materiali funzionali dell'Università di tecnologia di Toyohashi, ha sviluppato un nuovo fotoelettrodo ad alte prestazioni costruendo una matrice di nanopagoda di ossido di zinco con una forma unica su un elettrodo trasparente e applicando nanoparticelle d'argento sulla sua superficie.
La nanopagoda di ossido di zinco è caratterizzata dall'avere molte strutture a gradini, poiché comprende pile di prismi esagonali di diverse dimensioni. Inoltre, presenta pochissimi difetti cristallini e un'eccellente conduttività elettronica. Decorando la sua superficie con nanoparticelle d'argento, il fotoelettrodo a matrice di nanopagoda di ossido di zinco acquisisce proprietà di assorbimento della luce visibile, consentendogli di funzionare sotto l'irradiazione solare.
Si prevede che la scissione fotoelettrochimica dell’acqua utilizzando la luce solare verrà utilizzata come tecnologia per produrre energia pulita sotto forma di idrogeno. Essendo materiali chiave per questa tecnologia, i fotoelettrodi devono avere un basso sovrapotenziale contro le reazioni di scissione dell'acqua, oltre a un elevato assorbimento solare e un'efficienza di trasferimento della carica.
Per l’applicabilità pratica, questa tecnologia non può utilizzare metalli rari come materiali primari e il processo di fabbricazione deve essere industrializzato; tuttavia, i materiali che soddisfano questi requisiti non sono stati ancora sviluppati.
Di conseguenza, il gruppo di ricerca si è concentrato esclusivamente sull’array di nanopagoda di ossido di zinco, poiché tali array sono poco costosi da produrre, presentano un’elevata conduttività elettronica e non sono vulnerabili all’esaurimento delle materie prime. Inizialmente, gli array di nanopagoda di ossido di zinco erano considerati difficili da fabbricare con una buona riproducibilità.
Guidato da Marwa Abouelela, una studentessa di dottorato del terzo anno che è anche l'autrice principale dell'articolo pubblicato su Electrochemistry Communications —il team ha innanzitutto ottimizzato il processo di sintesi per garantire un’elevata riproducibilità. Quando sono state valutate le proprietà fotoelettrochimiche del fotoelettrodo ottenuto, è stata osservata l'emergere di una fotocorrente relativamente grande sotto l'irradiazione della luce pseudo-solare.
Oltre all'elevata efficienza di trasferimento di carica associata alla bassa densità di difetti e all'elevata attività di reazione chimica superficiale in molte fasi, un'analisi del campo elettromagnetico ha rivelato che l'esclusiva nanostruttura della nanopagoda può catturare in modo efficiente i raggi ultravioletti contenuti nella luce incidente.
Per garantire l'utilizzo efficace della luce visibile, che rappresenta il 55% della luce solare, il gruppo di ricerca ha ulteriormente migliorato le proprietà fotoelettrochimiche decorando la superficie della nanopagoda di ossido di zinco con nanoparticelle d'argento che mostrano una risonanza plasmonica superficiale localizzata, aumentando la fotocorrente di circa 1,5 volte. .
Lo spettro di azione del valore della fotocorrente indica che questo miglioramento è principalmente attribuito al trasferimento di elettroni caldi causato dall'assorbimento della luce visibile da parte della risonanza plasmonica superficiale localizzata delle nanoparticelle d'argento. Ottimizzando l'applicazione delle nanoparticelle d'argento, è diventato possibile solo migliorare le proprietà fotoelettrochimiche prevenendo effetti negativi sulle proprietà della nanopagoda stessa.
Il professore associato Go Kawamura, uno degli autori corrispondenti, ha dichiarato:"Le nanopagoda di ossido di zinco sono state prese in considerazione per l'applicazione solo agli emettitori di cannoni elettronici, sfruttando la loro elevata efficienza di trasferimento di carica. Tuttavia, poiché la struttura ha molti passaggi, la nostra idea iniziale era che fosse altamente attivo contro le reazioni chimiche superficiali e può essere adatto a catalizzare reazioni fotoelettrochimiche."
"Dopo essere riusciti a fabbricare la nanopagoda, abbiamo mirato a migliorare l'efficienza dell'utilizzo della luce solare applicando nanoparticelle d'argento che mostrano una risonanza plasmonica superficiale localizzata e abbiamo valutato l'effetto mediante analisi del campo elettromagnetico; tuttavia, si è scoperto che la nanopagoda di ossido di zinco cattura la luce incidente , in particolare i raggi ultravioletti, al suo interno Sebbene questa fosse del tutto inaspettata, è stata una scoperta fortunata, poiché questa proprietà contribuisce al miglioramento delle proprietà fotoelettrochimiche."
Attualmente, Marwa e gli studenti dello stesso laboratorio stanno conducendo uno studio sugli effetti del preciso controllo strutturale delle nanopagode di ossido di zinco, nonché della decorazione superficiale con altri materiali, sulle proprietà fotoelettrochimiche di dette pagode. Poiché l'ossido di zinco è soggetto alla fotocorrosione, non può resistere da solo all'irradiazione solare a lungo termine, portandoci a concentrarci sul miglioramento della durabilità attraverso la decorazione della superficie.
Una volta ottenute elevate proprietà fotoelettrochimiche e durabilità, il team prevede di effettuare la produzione di idrogeno mediante scissione dell'acqua in un ambiente reale (decomposizione dell'acqua di fiume o di mare mediante la luce solare).
Ulteriori informazioni: Marwa Mohamed Abouelela et al, nanoparticelle di Ag hanno decorato nanopagoda di ZnO per applicazioni fotoelettrochimiche, Comunicazioni elettrochimiche (2023). DOI:10.1016/j.elecom.2023.107645
Informazioni sul giornale: Comunicazioni elettrochimiche
Fornito da Toyohashi University of Technology
