I piani per l’energia pulita, inclusa la “Clean Hydrogen Road Map” dell’US Infrastructure Investment Act, 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 che può sfruttare la luce solare per sbloccare il potenziale della molecola onnipresente come fonte di combustibile.
La scoperta offre un’alternativa ai metodi attuali che generano gas serra e richiedono una grande quantità di energia. La fotocatalisi, un processo che può separare l’idrogeno dall’acqua utilizzando solo la luce solare, è stata esplorata per diversi decenni, ma è rimasta una considerazione più lontana perché i materiali del catalizzatore che consentono il processo possono sopravvivere solo per un giorno o due, il che ne limita la durata. l’efficienza a lungo termine e, di conseguenza, la sua fattibilità commerciale.
Il gruppo di Drexel, guidato dai ricercatori del College of Engineering Michel Barsoum, PhD, e Hussein O. Badr, PhD, in collaborazione con gli scienziati dell’Istituto Nazionale di Fisica dei Materiali di Bucarest, in Romania, ha recentemente riportato la sua scoperta di ossido di titanio fotocatalitico, uno materiale nanofilamento dimensionale che può aiutare la luce solare a raccogliere idrogeno dall’acqua per mesi alla volta. Il loro articolo “Lepidocrocite a base di TiO2 a nanofilamenti 1D fotostabili per la produzione di idrogeno fotocatalitico in miscele di acqua-metanolo”, pubblicato sulla rivista Questione, presenta un percorso sostenibile e conveniente per la creazione di combustibile a idrogeno, secondo gli autori.
“Il nostro fotocatalizzatore di nanofilamenti unidimensionali di ossido di titanio ha mostrato un’attività sostanzialmente superiore – di un ordine di grandezza – rispetto alla sua controparte commerciale di ossido di titanio”, ha affermato Hussein. “Inoltre, il nostro fotocatalizzatore è risultato stabile in acqua per 6 mesi: questi risultati rappresentano una nuova generazione di fotocatalizzatori che possono finalmente avviare la tanto attesa transizione dei nanomateriali dal laboratorio al mercato”.
Il gruppo di Barsoum ha scoperto le nanostrutture derivate da 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 realizzare materiali MXene, che i ricercatori di Drexel stanno esplorando per una serie di 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 filamenti sottili e fibrosi a base di ossido di titanio, che il team avrebbe scoperto possedere la capacità di facilitare la reazione chimica che scinde l’idrogeno dalle molecole d’acqua quando esposte alla luce solare.
“I materiali di ossido di titanio hanno precedentemente 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 di acqua e 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 di ossido di titanio di Evonik Aeroxide, chiamato P25, che è ampiamente accettato come il materiale fotocatalizzatore più vicino a fattibilità commerciale.
Ogni materiale è stato immerso in una soluzione di acqua-metanolo ed esposto alla luce ultravioletta visibile prodotta da una lampada di illuminazione regolabile che imita lo spettro del sole. I ricercatori hanno misurato sia la quantità di idrogeno prodotto e la durata dell’attività in ciascun gruppo reattore, sia il numero di fotoni dalla luce che ha prodotto idrogeno quando hanno interagito con il materiale del catalizzatore, una metrica per comprendere l’efficienza catalitica di ciascun materiale. .
Hanno scoperto che tutti e cinque i fotocatalizzatori HDN a base di ossido di titanio hanno funzionato in modo più efficiente nell’usare la luce solare per produrre idrogeno rispetto al materiale P25. Uno di questi, derivato dal carburo di titanio binario, è 10 volte più efficiente del P25 nel consentire ai fotoni di separare l’idrogeno dall’acqua.
Questo miglioramento è piuttosto significativo di per sé, riferisce il team, ma una scoperta ancora più significativa è stata che il materiale è rimasto attivo dopo più di 180 giorni di esposizione alla luce solare simulata.
“Il fatto che i nostri materiali sembrino possibilmente termodinamicamente stabili e fotochimicamente attivi nelle miscele acqua-metanolo per periodi prolungati non può essere sopravvalutato”, ha detto Hussein. “Poiché il nostro materiale non è costoso da realizzare, facile da scalare e incredibilmente stabile in acqua, vale la pena esplorare le sue applicazioni in vari processi fotocatalitici”.
Il prossimo passo per la ricerca è capire meglio perché il materiale si comporta in questo modo, in modo che possa essere ulteriormente ottimizzato come fotocatalizzatore. L’attuale teoria del team ipotizza che la natura unidimensionale e l’elevata superficie teorica del materiale contribuiscano alla sua attività sostenuta, ma sono necessari ulteriori test per confermare questi suggerimenti.
Il gruppo sta anche lavorando per trovare altri additivi, oltre al metanolo, che fungano da “spegnimento dei buchi” – sostanze chimiche che impediscono alla reazione di scissione dell’acqua di invertire il corso, che è un evento comune a causa della natura alquanto caotica delle reazioni fotocatalitiche.
I risultati sono così promettenti che il gruppo ha fondato una startup di idrogeno verde attorno alla tecnologia e sta lavorando con il Drexel Office of Innovation e l’Innovation Corps della National Science Foundation per procedere verso la sua commercializzazione.
“Siamo molto entusiasti delle possibilità di questa scoperta”, ha detto Barsoum. “Il mondo ha bisogno di enormi nuovi combustibili puliti che possano soppiantare i combustibili fossili. Crediamo che questo materiale possa sbloccare il potenziale dell’idrogeno verde”.
Inoltre, il gruppo sta esplorando una serie di altre applicazioni per HDN, incluso il loro utilizzo in batterie, celle solari, purificazione dell’acqua e trattamenti medici. La loro capacità di essere prodotti facilmente e in sicurezza in grandi quantità, distingue gli HDN dagli altri nanomateriali, il che li apre a una varietà di possibili usi, secondo Hussein.
“La nostra famiglia di nanostrutture HDN continua a impressionare le comunità molto diverse con cui stiamo collaborando. Questi nanofilamenti di ossido di titanio possono essere utilizzati per numerose applicazioni tra cui la purificazione dell’acqua, la degradazione del colorante, celle solari di perovskite, batterie agli ioni di litio e litio-zolfo, dialisi dell’urea e terapia del cancro al seno, tra molti altri.”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
