Materiali innovativi per la scissione dell'acqua fotocatalitica solare: una rassegna delle scoperte recenti

Aug 22, 2023

La scissione solare fotocatalitica dell’acqua, un processo che utilizza la luce solare per dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno, è emersa come una strada promettente per la generazione di energia pulita e rinnovabile. La ricerca di materiali efficienti, economici e rispettosi dell’ambiente per facilitare questo processo è stata un punto focale della ricerca negli ultimi anni. Sono stati scoperti e sviluppati numerosi materiali innovativi, che hanno portato a progressi significativi nel settore.

Uno degli sviluppi più interessanti è l’uso di materiali semiconduttori, come il biossido di titanio (TiO2), come fotocatalizzatori. Questi materiali assorbono la luce solare e generano coppie elettrone-lacuna, che poi partecipano alle reazioni chimiche per dividere le molecole d’acqua. Tuttavia, l’ampio intervallo di banda del TiO2 ne limita l’assorbimento alla regione ultravioletta dello spettro solare, che costituisce solo circa il 5% dell’energia solare totale. Per superare questa limitazione, i ricercatori hanno esplorato modi per modificare il TiO2 per estendere il suo assorbimento della luce alla regione visibile.

Una di queste modifiche prevede il drogaggio del TiO2 con elementi non metallici come azoto e carbonio. Questa modifica non solo estende l'assorbimento della luce del TiO2 ma ne migliora anche l'attività fotocatalitica. Un altro approccio consiste nell'accoppiare TiO2 con semiconduttori a banda proibita stretta, come il solfuro di cadmio (CdS), per formare un'eterogiunzione. Questa struttura consente una separazione e un trasferimento più efficienti delle coppie elettrone-lacuna fotogenerate, migliorando così l'efficienza fotocatalitica.

Oltre ai materiali semiconduttori, anche i catalizzatori a base metallica si sono mostrati promettenti nella scissione dell’acqua fotocatalitica solare. Ad esempio, il platino (Pt) e il palladio (Pd) sono ottimi catalizzatori per la riduzione dell'acqua in idrogeno. Tuttavia, il loro costo elevato e la loro scarsità hanno spinto i ricercatori a cercare alternative. Studi recenti hanno dimostrato che i catalizzatori a base di nichel (Ni) e cobalto (Co) possono essere sostituti efficaci ed economici di Pt e Pd.

Un altro passo avanti significativo è l’uso di materiali bidimensionali (2D), come il grafene e i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD). Questi materiali hanno proprietà uniche, tra cui un'elevata area superficiale ed eccellenti capacità di trasporto di carica, che li rendono ideali per applicazioni fotocatalitiche. Ad esempio, il grafene può fungere da ottimo trasportatore di elettroni e anche da strato protettivo per il fotocatalizzatore, prevenendone la degradazione.

Un’altra direzione promettente è lo sviluppo di materiali ibridi, che combinano due o più dei materiali sopra menzionati. Questi ibridi possono sfruttare i punti di forza di ciascun componente, portando a prestazioni fotocatalitiche migliorate. Ad esempio, un ibrido di TiO2 e grafene può combinare l’attività fotocatalitica del TiO2 con le eccellenti capacità di trasporto di carica del grafene, con conseguente miglioramento dell’efficienza.

In conclusione, la ricerca di materiali innovativi per la scissione dell’acqua fotocatalitica solare ha portato a diverse scoperte entusiasmanti. Anche se permangono sfide, come il miglioramento della stabilità e della scalabilità di questi materiali, i progressi compiuti finora sono incoraggianti. La continua esplorazione e sviluppo di questi materiali rappresenta una grande promessa per il futuro dell’energia pulita e rinnovabile.