L’integrazione di un nanomateriale con una molecola che assorbe la luce alimenta la produzione di idrogeno dall’acqua e dal sole

In linea con l’esaurimento dei combustibili fossili e i problemi ambientali che il nostro pianeta affronta a causa della loro combustione, lo sviluppo della tecnologia per la generazione di energia pulita è un argomento di interesse globale. Tra i vari metodi proposti per generare energia pulita, la scissione fotocatalitica dell’acqua sta mostrando molte promesse. Questo metodo utilizza l’energia solare per dividere le molecole di acqua (H2O) e ottenere diidrogeno (H2). L’H2 può poi essere usato come combustibile senza carbonio o come materia prima nella produzione di molti importanti prodotti chimici.

Ora, un team di ricerca guidato da Kazuhiko Maeda al Tokyo Tech ha sviluppato un nuovo fotocatalizzatore composto da fogli di ossido di metallo su scala nanometrica e una molecola di colorante rutenio, che funziona secondo un meccanismo simile alle celle solari sensibilizzate. Mentre gli ossidi metallici che sono fotocataliticamente attivi per la scissione globale dell’acqua in H2 e O2 hanno ampie lacune di banda, gli ossidi sensibilizzati con coloranti possono utilizzare la luce visibile, il componente principale della luce solare (Figura 1). Il nuovo fotocatalizzatore è in grado di generare H2 dall’acqua con una frequenza di rotazione di 1960 all’ora e una resa quantica esterna del 2,4%.

Questi risultati sono i più alti registrati per i fotocatalizzatori sensibilizzati alla luce visibile, portando il team di Maeda un passo più vicino all’obiettivo della fotosintesi artificiale — replicando il processo naturale dell’uso di acqua e luce solare per produrre energia in modo sostenibile.

Il nuovo materiale, riportato nel Journal of the American Chemical Society, è costruito da nano fogli di niobato di calcio ad alta superficie (HCa2Nb3O10) intercalati con nanocluster di platino (Pt) come siti di evoluzione dell’H2. Tuttavia, i nanofogli modificati con il platino non funzionano da soli, poiché non assorbono la luce del sole in modo efficiente. Quindi una molecola di tintura di rutenio che assorbe la luce visibile è combinata con il nanosheet, permettendo l’evoluzione di H2 guidata dal sole (Figura 2).

Quello che rende il materiale efficiente è l’uso dei nanosheet, che possono essere ottenuti per esfoliazione chimica di HCa2Nb3O10 lamellare. L’area ad alta superficie e la flessibilità strutturale dei nanosheet massimizzano i carichi di colorante e la densità dei siti di evoluzione dell’H2, che a loro volta migliorano l’efficienza dell’evoluzione dell’H2. Inoltre, per ottimizzare le prestazioni, il team di Maeda ha modificato i nanosheet con allumina amorfa, che gioca un ruolo importante nel migliorare l’efficienza del trasferimento di elettroni. “Senza precedenti, la modifica dell’allumina per i nanosheet promuove la rigenerazione del colorante durante la reazione, senza ostacolare l’iniezione di elettroni dal colorante in stato eccitato al nanosheet ¬– il passo principale dell’evoluzione dell’H2 sensibilizzata dal colorante”, dice Maeda.

“Fino a poco tempo fa, era considerato molto difficile ottenere l’evoluzione dell’H2 attraverso la scissione globale dell’acqua sotto la luce visibile usando un fotocatalizzatore sensibilizzato dal colorante con alta efficienza”, spiega Maeda. “Il nostro nuovo risultato dimostra chiaramente che questo è effettivamente possibile, utilizzando un ibrido molecola-nanomateriale attentamente progettato”.

Altra ricerca deve ancora essere fatta, in quanto sarà necessario ottimizzare ulteriormente il design del fotocatalizzatore ibrido per migliorare l’efficienza e la durata a lungo termine. La scissione fotocatalitica dell’acqua può essere un mezzo cruciale per soddisfare la domanda di energia della società senza danneggiare ulteriormente l’ambiente, e studi come questo sono pietre miliari essenziali per raggiungere il nostro obiettivo di un futuro più verde.