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Idrogeno pulito: maggiori conoscenze per catalizzatori migliori

Per progettare catalizzatori efficienti volti a produrre idrogeno solare tramite la scissione fotoelettrochimica dell’acqua, in primo luogo dobbiamo comprendere meglio cosa succede a livello molecolare durante la reazione. Un gruppo di ricercatori, beneficiari di un finanziamento dell’UE, ha appena fornito tali informazioni.

Energia

Quasi 50 anni fa, si è scoperto che il biossido di titanio consente all’acqua di scindersi in idrogeno e ossigeno grazie alla luce solare. Tale scoperta innovativa potrebbe risultare determinante per sfruttare l’idrogeno «ecologico», uno dei vettori energetici più promettenti da osservare. «Per produrre l’idrogeno dall’acqua, servono solo acqua, luce solare e un catalizzatore; inoltre, tale catalizzatore (per definizione) può essere riutilizzato. Quando l’idrogeno è usato in seguito per produrre energia, viene rilasciata solo acqua. Ciò rende l’idrogeno un vettore energetico molto pulito», spiega Ellen Backus, professoressa di chimica fisica presso l’Università di Vienna. Il biossido di titanio è ancora considerato un fotocatalizzatore di riferimento ed è stato l’obiettivo di numerose ricerche per migliorare l’efficienza del processo. Tuttavia, mezzo secolo dopo la sua scoperta, le conoscenze di ciò che avviene a livello molecolare durante la scissione fotocatalitica dell’acqua sono ancora molto scarse. Un team di ricercatori guidato da Backus ha compiuto i passi decisivi per chiarire tale mistero. Il progetto FOPS-water (Fundamentals Of Photocatalytic Splitting of Water), sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca (CER), ha fornito nuove informazioni riguardo al meccanismo molecolare dietro tale processo.

Un approccio dal basso verso l’alto

Essenzialmente, il team del progetto ha ottenuto nuove informazioni riguardo alle modalità con cui l’acqua si lega al fotocatalizzatore e al modo in cui l’acidità influisce su ciò che si verifica all’interfaccia tra i due componenti. I ricercatori hanno analizzato l’orientamento delle molecole dell’acqua rispetto al fotocatalizzatore, nonché con quanta intensità interagiscono tra di loro e con il fotocatalizzatore stesso. Si tratta di un notevole passo avanti per migliorare le nostre conoscenze circa il meccanismo di scissione fotocatalitica dell’acqua, che a sua volta potrebbe aiutare i ricercatori a rendere più efficiente il fotocatalizzatore. «La comprensione del processo sarà un passo importante per progettare fotocatalizzatori più economici e più efficienti. Attualmente, l’ottimizzazione del catalizzatore è spesso raggiunta procedendo per tentativi. I nostri risultati potrebbero consentire un maggiore approccio dal basso verso l’alto», osserva Backus. Nonostante vi siano stati tentativi precedenti per chiarire la reazione di scissione dell’acqua nell’interfaccia fotoelettrochimica dell’elettrodo, tali studi hanno adottato un approccio teorico oppure si sono avvalsi di condizioni estreme, quali basse temperature o ultravuoto (consentendo la «visualizzazione» sperimentale delle molecole), che non riflettono le normali condizioni lavorative per dispositivi con finalità commerciale. FOPS-water è riuscito a colmare tale divario, osserva Backus proseguendo: «Abbiamo compiuto progressi nella comprensione di questo processo a livello molecolare in ambienti vicini a condizioni reali.»

Un’immagine globale a livello micro

Il gruppo ha altresì studiato ciò che si verifica dopo avere inserito il fotocatalizzatore in uno stato eccitato: in altri termini, aumentando il suo livello energetico. Backus spiega: «Fondamentalmente, l’eccitazione sta replicando la luce solare. Il principale risultato di questo lavoro è che la fotoeccitazione modifica la carica superficiale verso la quale le molecole dell’acqua adattano il loro orientamento.» Oltre a questi aspetti, il team ha osservato a quale velocità può essere dissipata l’energia durante il processo e con quale tempistica avviene la reazione. Inoltre, i ricercatori hanno suddiviso la reazione nelle sue fasi separate. Attingendo a conoscenze ottenute dal progetto FOPS-water, ora il gruppo sta studiando l’interfaccia tra l’acqua e altri fotocatalizzatori. I ricercatori mirano a ottenere un’idea più completa delle modalità con cui i catalizzatori funzionano con l’intenzione di individuare parametri pertinenti per la loro progettazione. Tali progressi potrebbero aiutare ad avvicinarci a catalizzatori adatti alla produzione di idrogeno sostenibile su larga scala secondo necessità per supportare il suo utilizzo in applicazioni quali le autovetture.

Parole chiave

FOPS-water, idrogeno, scissione dell’acqua, catalizzatore, fotocatalizzatore, livello molecolare, biossido di titanio, interfaccia

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