Il materiale in ossido di titanio di Drexel consente alla luce solare di stimolare la produzione di idrogeno verde

Aug 18, 2023

I piani per l'energia pulita, inclusa la “Clean Hydrogen Road Map” dell'Infrastructure Investment Act degli Stati Uniti, contano sull'idrogeno come combustibile del futuro. Ma l’attuale tecnologia di separazione dell’idrogeno non è ancora all’altezza degli obiettivi di efficienza e sostenibilità. Nell’ambito degli sforzi in corso per sviluppare materiali che potrebbero consentire fonti energetiche alternative, i ricercatori del College of Engineering della Drexel University hanno prodotto un materiale nanofilamento di ossido di titanio in grado di sfruttare la luce solare per sbloccare il potenziale della molecola onnipresente come fonte di combustibile.

La scoperta offre un’alternativa agli attuali metodi che generano gas serra e richiedono una grande quantità di energia. La fotocatalisi, un processo in grado di separare l'idrogeno dall'acqua utilizzando solo la luce solare, è stato esplorato per diversi decenni, ma è rimasto una considerazione più lontana perché i materiali catalizzatori che consentono il processo possono sopravvivere solo per un giorno o due, il che ne limita la lunga durata. efficienza a lungo termine e, di conseguenza, la sua redditività commerciale.

Il gruppo di Drexel, guidato dai ricercatori del College of Engineering Michel Barsoum, PhD, e Hussein O. Badr, PhD, in collaborazione con scienziati dell'Istituto nazionale di fisica dei materiali di Bucarest, in Romania, ha recentemente riferito della sua scoperta di un fotocatalitico a base di ossido di titanio, uno materiale nanofilamento bidimensionale che può aiutare la luce solare a raccogliere idrogeno dall'acqua per mesi alla volta. Secondo gli autori, il loro articolo “Lepidocrocite fotostabile, nanofilamenti 1D a base di TiO2 per la produzione di idrogeno fotocatalitico in miscele acqua-metanolo”, pubblicato sulla rivista Matter, presenta un percorso sostenibile e conveniente per la creazione di combustibile a idrogeno.

“Il nostro fotocatalizzatore di nanofilamenti unidimensionali di ossido di titanio ha mostrato un’attività sostanzialmente più elevata – di un ordine di grandezza – rispetto alla sua controparte commerciale di ossido di titanio”, ha affermato Badr. “Inoltre, il nostro fotocatalizzatore è risultato stabile in acqua per 6 mesi: questi risultati rappresentano una nuova generazione di fotocatalizzatori che può finalmente avviare la tanto attesa transizione dei nanomateriali dal laboratorio al mercato”.

Il gruppo di Barsoum ha scoperto le nanostrutture derivate dagli idrossidi (HDN) - la famiglia di nanomateriali di ossido di titanio, a cui appartiene il materiale fotocatalitico - due anni fa, mentre stava elaborando un nuovo processo per produrre materiali MXene, che i ricercatori di Drexel stanno esplorando per un certo numero di anni. delle applicazioni. Invece di utilizzare l’acido fluoridrico caustico standard per incidere chimicamente gli MXeni bidimensionali stratificati da un materiale chiamato fase MAX, il gruppo ha utilizzato una soluzione acquosa di una base organica comune, l’idrossido di tetrametilammonio.

Ma invece di produrre un MXene, la reazione ha prodotto sottili filamenti fibrosi a base di ossido di titanio, che il team avrebbe scoperto possedere la capacità di facilitare la reazione chimica che divide l’idrogeno dalle molecole d’acqua quando esposte alla luce solare.

"I materiali a base di ossido di titanio hanno già dimostrato capacità fotocatalitiche, quindi testare i nostri nuovi nanofilamenti per questa proprietà è stata una parte naturale del nostro lavoro", ha affermato. “Ma non ci aspettavamo di scoprire che non solo sono fotocatalitici, ma sono catalizzatori estremamente stabili e produttivi per la produzione di idrogeno da miscele acqua-metanolo”.

Il gruppo ha testato cinque materiali fotocatalizzatori – HDN a base di ossido di titanio, derivati ​​da vari materiali precursori a basso costo e facilmente disponibili – e li ha confrontati con il materiale a base di ossido di titanio di Evonik Aerossido, chiamato P25, che è ampiamente accettato come il materiale fotocatalitico più vicino alla fattibilità commerciale. .

Ogni materiale è stato immerso in una soluzione acqua-metanolo ed esposto alla luce ultravioletta-visibile prodotta da una lampada illuminatrice regolabile che imita lo spettro del sole. I ricercatori hanno misurato sia la quantità di idrogeno prodotto che la durata dell’attività in ciascun gruppo reattore, nonché il numero di fotoni della luce che producevano idrogeno quando interagivano con il materiale catalitico, un parametro per comprendere l’efficienza catalitica di ciascun materiale.