Nanotubi di ossido di titanio per la produzione foto-elettrochimica dell’idrogeno

Molte sfide, tecniche, politiche ed economiche, devono essere superate prima che una piena economia dell'idrogeno possa essere attuata. I problemi tecnici includono: l’aumento di efficienza nella produzione d’idrogeno da fonti rinnovabili, lo stoccaggio e lo sviluppo d’infrastrutture per la distribuzione. Per quanto riguarda la produzione d’idrogeno oltre ai classici metodi di produzione, sono allo studio processi fotoelettrochimici che consistono nell’utilizzo di opportuni fotoelettrodi che sfruttano l’energia solare per ottenere lo splittamento diretto dell’acqua nei suoi costituenti elementari, o come coadiuvante dei processi elettrolitici. I primi lavori a mostrare che la scomposizione dell’acqua era possibile illuminando un elettrodo di biossido di titanio (TiO2) con luce solare in una cella elettrochimica furono Fujishima e Honda[1] nei primi anni ’70. Il biossido di titanio è un fotocatalizzatore molto in voga perché non è tossico è stabile e poco costoso. La fase anatase del TiO2 ha un bandgap di 3.0 eV, e proprio per questo la sua capacità di assorbimento della luce è molto limitata. Il massimo di efficienza pratica per la scissione dell’acqua di questo materiale è minore dello 0.5%. Ci sono stati numerosi tentativi per ridurre il bandgap di TiO2 per aumentare l'efficienza di scissione dell’acqua. Alcune tecniche includono il drogaggio del biossido di titanio, per altro il trasferimento di carica tra il semiconduttore e l’elettrolita può essere migliorato usando materiali fotocatalitici nano-strutturati con elevata area superficiale. A tal fine è stato condotto uno studio approfondito dei processi che portano alla formazione sistemi nanostrutturati di TiO2, composti da nanotubi di TiO2 estremamente organizzati e costruiti perpendicolarmente al substrato di titanio. Questa conformazione permette di poter aumentare notevolmente l’area attiva dedicata al foto-assorbimento della luce massimizzando il processo. La caratterizzazione dei vari campioni sperimentati ha riguardato la misura della foto-corrente emessa dal sistema sotto luce ultravioletta. Tali misure mostrano che i campioni preparati possiedono un alto valore di efficienza di foto-conversione sotto luce UV pari al 28,3%, la più alta mai registrata in letteratura per questo tipo di materiale. L’importanza dell’avere una metodologia affidabile per ottenere questi sistemi nano strutturati di TiO2 riguarda la sua semplicità di realizzazione, bassi costi e basso impatto ambientale, nonché la possibilità di produrre idrogeno da soluzioni acquose utilizzando luce solare. [1] A. Fujishima, K. Honda, Nature 238 (1972) p.238