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Combustibile dall’acqua grazie alla luce solare

Scienziati finanziati dall’UE hanno prodotto nuovi materiali ibridi nanocarbonio/semiconduttore inorganico per impieghi nel campo della fotocatalisi. L’assemblaggio controllato dei nanomattoni e l’ingegneria delle interfacce hanno portato a un migliore trasferimento di carica e quindi all’efficienza fotocatalitica.
Combustibile dall’acqua grazie alla luce solare
Spesso la natura fornisce l’ispirazione per le imprese scientifiche. Molta ricerca si concentra sull’utilizzo della luce solare in dispositivi fotosintetici artificiali per produrre idrogeno molecolare (H2), da usare ad esempio nelle celle a combustibile. I sistemi fotocatalitici separano le molecole di acqua in H2 e ossigeno. Sono però necessari nuovi materiali con maggiore efficienza e stabilità a costi più bassi.

Gli scienziati hanno esaminato i nanomateriali ibridi composti da carbonio nanostrutturato e semiconduttori inorganici grazie al supporto fornito dall’UE al progetto CARINHYPH (Bottom-up fabrication of nano carbon-inorganic hybrid materials for photocatalytic hydrogen production). Il team ha preso dei nanotubi di carbonio e del grafene di alta qualità e li ha funzionalizzati per una successiva integrazione con il composto inorganico mediante crescita in situ in differenti architetture: membrane e fibre di nanocarbonio rivestite da composto inorganico, ibridi mesoporosi giroidi e strutture elettrofilate.

I nanocarboni, come ad esempio i nanotubi in carbonio e il grafene, presentano un’eccellente mobilità dei portatori di carica, una grande area superficiale e una buona conduttività elettrica. Essi accrescono l’intervallo di assorbimento della luce degli ibridi, aumentando quindi la quantità di energia solare catturata per la reazione fotocatalitica. Inoltre, la durata delle coppie elettrone-lacuna negli ibridi è più lunga in confronto a quella nei materiali inorganici puri, aumentando in tal modo i rendimenti fotocatalitici.

Un aspetto chiave del progetto era l’accento posto sull’ingegneria interfacciale quale meccanismo per controllare i processi di trasferimento di carica tra gli ibridi, aumentando quindi la durata della carica e l’efficienza fotocatalitica. A tal fine il progetto ha compiuto progressi nell’ottimizzazione dei procedimenti di sintesi. Innovative tecniche di spettroscopia hanno consentito una comprensione unica delle proprietà elettroniche alla giunzione tra nanocarbonio e semiconduttore inorganico, fornendo elementi per mettere a punto di conseguenza i procedimenti di sintesi.

Per testare l’efficienza fotocatalitica degli ibridi, gli scienziati li hanno inseriti in strutture macroscopiche. I risultati hanno mostrato dei valori di produzione di H2 da record con radiazione ultravioletta dei giroidi mesoporosi Ta2O5, con e senza cocatalizzatori di platino. I nanocarboni hanno dimostrato di migliorare l’attività fotocatalitica se aggiunti in piccole frazioni.

Nel breve periodo, CARINHYPH sta contribuendo alla progettazione razionale e alla sintesi di nuovi ibridi nanostrutturati con prestazioni catalitiche migliorate in applicazioni energetiche sostenibili. Queste includono separazione dell’acqua, purificazione dell’acqua, dispositivi fotoelettrochimici e fotovoltaici. Nel lungo periodo, questi sistemi ibridi nanostrutturati contribuiranno a risolvere le sfide energetiche dell’UE.

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Keywords

Grafene, nanotubi carbonio, fotocatalitico, idrogeno, CARINHYPH, materiali ibridi