Integrarea unui nanomaterial cu o moleculă care absoarbe lumina permite producerea de hidrogen din apă și soare

În conformitate cu epuizarea combustibililor fosili și cu problemele de mediu cu care se confruntă planeta noastră din cauza arderii acestora, dezvoltarea tehnologiei pentru generarea de energie curată este un subiect de interes global. Printre diferitele metode propuse pentru a genera energie curată, descompunerea fotocatalitică a apei se arată foarte promițătoare. Această metodă utilizează energia solară pentru a diviza moleculele de apă (H2O) și a obține dihidrogen (H2). H2 poate fi apoi utilizat ca un combustibil fără carbon sau ca materie primă în producția multor substanțe chimice importante.

Acum, o echipă de cercetători condusă de Kazuhiko Maeda de la Tokyo Tech a dezvoltat un nou fotocatalizator format din foi de oxid metalic la scară nanometrică și o moleculă de colorant de ruteniu, care funcționează conform unui mecanism similar cu cel al celulelor solare sensibilizate cu colorant. În timp ce oxizii metalici care sunt activi din punct de vedere fotocatalitic pentru scindarea globală a apei în H2 și O2 au benzi interzise largi, oxizii sensibilizați cu coloranți pot utiliza lumina vizibilă, principala componentă a luminii solare (figura 1). Noul fotocatalizator este capabil să genereze H2 din apă cu o frecvență de rotație de 1960 pe oră și un randament cuantic extern de 2,4%.

Aceste rezultate sunt cele mai înalte înregistrate pentru fotocatalizatorii sensibilizați cu coloranți în lumină vizibilă, aducând echipa lui Maeda cu un pas mai aproape de obiectivul fotosintezei artificiale – replicarea procesului natural de utilizare a apei și a luminii solare pentru a produce energie în mod durabil.

Noul material, raportat în Journal of the American Chemical Society, este construit din nanosfețe de niobat de calciu cu suprafață mare (HCa2Nb3O10) intercalate cu nanoclusteri de platină (Pt) ca situsuri de evoluție a H2. Cu toate acestea, nanofețele modificate cu platină nu funcționează singure, deoarece nu absorb eficient lumina solară. Astfel, o moleculă de colorant de ruteniu, care absoarbe lumina vizibilă, este combinată cu nanofolia, permițând astfel o evoluție a H2 determinată de energia solară (figura 2).

Ceea ce face ca materialul să fie eficient este utilizarea de nanofolii, care pot fi obținute prin exfolierea chimică a HCa2Nb3O10 lamelar. Suprafața mare a suprafeței și flexibilitatea structurală a nanofețelor maximizează încărcăturile de colorant și densitatea situsurilor de evoluție a H2, care, la rândul lor, îmbunătățesc eficiența evoluției H2. De asemenea, pentru a optimiza performanța, echipa lui Maeda a modificat nanofețele cu alumină amorfă, care joacă un rol important în îmbunătățirea eficienței transferului de electroni. „Fără precedent, modificarea aluminei pentru nanofolii promovează regenerarea colorantului în timpul reacției, fără a împiedica injecția de electroni de la colorantul în stare excitată la nanofolia ¬– pasul principal al evoluției H2 sensibilizate cu colorant”, spune Maeda.

„Până de curând, a fost considerată foarte dificilă realizarea evoluției H2 prin scindarea globală a apei în lumină vizibilă folosind un fotocatalizator sensibilizat cu colorant cu eficiență ridicată”, explică Maeda. „Noul nostru rezultat demonstrează în mod clar că acest lucru este într-adevăr posibil, folosind un hibrid moleculă-nanomaterial proiectat cu atenție.”

Încă mai sunt necesare cercetări suplimentare, deoarece va fi necesar să se optimizeze în continuare designul fotocatalizatorului hibrid pentru a îmbunătăți eficiența și durabilitatea pe termen lung. Descompunerea fotocatalitică a apei poate fi un mijloc crucial de satisfacere a cererii de energie a societății fără a afecta și mai mult mediul înconjurător, iar studii precum acesta sunt pași esențiali pentru atingerea obiectivului nostru de a avea un viitor mai verde.

.