Quando Emiliano Cortés va a caccia della luce solare, non usa specchi giganteschi o vasti parchi solari. Al contrario, il professore di fisica sperimentale e conversione dell'energia alla LMU si tuffa nel nanocosmo.
"La nostra ricerca inizia dove le particelle ad alta energia della luce solare, i fotoni, incontrano le strutture atomiche", afferma Cortés. "Stiamo lavorando a soluzioni materiali per catturare e utilizzare l'energia solare in modo più efficiente."
Le sue scoperte hanno un grande potenziale poiché rendono possibili nuove celle solari e fotocatalizzatori. L’industria ripone grandi speranze in questi ultimi perché possono rendere l’energia luminosa accessibile per le reazioni chimiche, aggirando la necessità di generare elettricità. Ma c'è una grande sfida nell'utilizzo della luce solare, che anche le celle solari devono affrontare, Cortés sa:"La luce solare arriva sulla Terra 'diluita', quindi l'energia per superficie è relativamente bassa." I pannelli solari compensano questo problema coprendo vaste aree.
Cortés, tuttavia, affronta il problema, per così dire, dalla direzione opposta. Con il suo team del Nano-Institute della LMU sta sviluppando le cosiddette nanostrutture plasmoniche che possono essere utilizzate per concentrare l'energia solare.
Nella rivista Nature Catalysis , Cortés, insieme al Dr. Matías Herran, ora presso l'Istituto Fritz Haber di Berlino, e ai partner di cooperazione della Libera Università di Berlino e dell'Università di Amburgo, presentano un supercristallo bidimensionale che genera idrogeno dall'acido formico con l'aiuto della luce solare .
"Il materiale è così eccezionale, infatti, che detiene il record mondiale per la produzione di idrogeno utilizzando la luce solare", sottolinea Cortés. Questa è una buona notizia per la produzione sia di fotocatalizzatori che di idrogeno come vettore energetico poiché svolgono un ruolo importante in una transizione energetica di successo.
Per il loro supercristallo, Cortés e Herrán utilizzano due metalli diversi in formato nanometrico. "Per prima cosa creiamo particelle nell'intervallo di 10-200 nanometri da un metallo plasmonico, che nel nostro caso è l'oro", spiega Herrán.
"Su questa scala, con i metalli plasmonici, che includono anche argento, rame, alluminio e magnesio, si verifica un fenomeno speciale:la luce visibile interagisce molto fortemente con gli elettroni del metallo, facendoli oscillare in modo risonante." Ciò significa che gli elettroni si muovono collettivamente molto rapidamente da un lato all'altro della nanoparticella, creando una sorta di mini-magnete. Gli esperti lo chiamano momento di dipolo.
"Per la luce incidente si tratta di un cambiamento forte, tanto che successivamente interagisce in modo molto più forte con la nanoparticella metallica", spiega Cortés. "Analogamente, si può pensare al processo come a una superlente che concentra l'energia. I nostri nanomateriali lo fanno, ma su scala molecolare." Ciò consente alle nanoparticelle di catturare più luce solare e convertirla in elettroni ad altissima energia. Questi, a loro volta, aiutano a stimolare le reazioni chimiche.
Ma come si può sfruttare questa energia? A tale scopo, gli scienziati della LMU hanno collaborato con ricercatori dell'Università di Amburgo. Hanno disposto le particelle d'oro in modo ordinato su una superficie secondo il principio di auto-organizzazione. Le particelle devono essere molto vicine ma non toccarsi per massimizzare le interazioni luce-materia. In collaborazione con un gruppo di ricerca della Freie Universität Berlin, che ha studiato le proprietà ottiche del materiale, i ricercatori della LMU hanno scoperto che l'assorbimento della luce aumentava molte volte.
"Gli array di nanoparticelle d'oro focalizzano la luce in arrivo in modo estremamente efficiente, producendo campi elettrici forti, altamente localizzati, i cosiddetti hotspot", afferma Herrán. Queste si formano tra le particelle d'oro, cosa che ha dato a Cortés e Herrán l'idea di posizionare nanoparticelle di platino, un materiale catalizzatore classico e potente, proprio negli interspazi.
Lo ha fatto ancora una volta il gruppo di ricerca di Amburgo. "Il platino non è il materiale preferito per la fotocatalisi perché assorbe scarsamente la luce solare. Tuttavia, possiamo forzarlo nei punti caldi per migliorare questo assorbimento altrimenti scarso e alimentare le reazioni chimiche con l'energia luminosa. Nel nostro caso, la reazione converte l'acido formico in idrogeno ," spiega Herrán. Con un tasso di produzione di idrogeno dall'acido formico di 139 millimoli all'ora e per grammo di catalizzatore, il materiale fotocatalitico detiene attualmente il record mondiale di H2 produzione con luce solare.
Oggi l’idrogeno viene prodotto principalmente da combustibili fossili, prevalentemente da gas naturale. Per passare a una produzione più sostenibile, gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno lavorando su tecnologie che utilizzano materie prime alternative, tra cui acido formico, ammoniaca e acqua. L'attenzione è rivolta anche allo sviluppo di reattori fotocatalitici adatti alla produzione su larga scala.
"Soluzioni materiali intelligenti come le nostre sono un elemento importante per il successo della tecnologia", hanno affermato i due ricercatori. "Combinando metalli plasmonici e catalitici, stiamo facendo avanzare lo sviluppo di potenti fotocatalizzatori per applicazioni industriali. Si tratta di un nuovo modo di utilizzare la luce solare e che offre potenziale per altre reazioni come la conversione di CO2 in sostanze utilizzabili," spiegano Cortés e Herrán. I due ricercatori hanno già brevettato lo sviluppo del loro materiale.
Ulteriori informazioni: Matias Herran et al, Supercristalli bidimensionali bimetallici plasmonici per la generazione di H2, Nature Catalysis (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01053-9
Informazioni sul giornale: Catalisi della natura
Fornito dall'Università Ludwig Maximilian di Monaco
