Arioso ed efficiente
I ricercatori dell'ETH hanno sviluppato un nuovo fotocatalizzatore ricavato da un aerogel che potrebbe consentire una produzione di idrogeno più efficiente. Ciò è reso possibile da un sofisticato pretrattamento del materiale.
Gli aerogel sono materiali straordinari che sono entrati nel Guinness dei primati con oltre una dozzina di voci, tra cui quella di essere i solidi più leggeri del mondo.
Anche il professor Markus Niederberger del Laboratorio per i materiali multifunzionali dell'ETH lavora da tempo con queste sostanze speciali. Il suo laboratorio è specializzato in aerogel realizzati con nanoparticelle cristalline di semiconduttori. "Siamo l'unico gruppo al mondo in grado di produrre aerogel di qualità così elevata", afferma.
Gli aerogel basati su nanoparticelle servono ad esempio come fotocatalizzatori. Vengono utilizzati quando è necessario attivare o accelerare una reazione chimica con l'aiuto della luce solare, ad esempio nella produzione di idrogeno.
Il materiale di elezione per i fotocatalizzatori è il biossido di titanio (TiO), un semiconduttore.2). Tuttavia, questo ha un grande svantaggio: può assorbire solo la componente UV dello spettro della luce diurna, e questa è solo circa il 5%. Tuttavia, se la fotocatalisi deve essere efficiente e utilizzabile a livello industriale, un catalizzatore di questo tipo deve essere in grado di utilizzare uno spettro più ampio.
Ampliare lo spettro con il drogaggio di azoto
La dottoranda di Niederberger, Junggou Kwon, ha quindi cercato un nuovo modo per incorporare un aerogel fatto di TiO2-nanoparticelle può essere ottimizzato in modo da poter utilizzare uno spettro luminoso più ampio. E ha avuto un'idea brillante: il TiO2-Se l'aerogel di nanoparticelle viene seminato (o drogato in termini tecnici) con azoto, in modo che singoli atomi di ossigeno nel materiale siano sostituiti da atomi di azoto, l'aerogel può anche assorbire porzioni aggiuntive di luce visibile. La struttura dei pori non viene distrutta nel processo. Lo studio è stato appena pubblicato sulla rivista "Applied Materials & Interfaces".
Kwon ha introdotto per la prima volta l'aerogel con TiO2-nanoparticelle e piccole quantità del prezioso metallo palladio. Quest'ultimo è importante per la produzione fotocatalitica di idrogeno. La ricercatrice ha poi convogliato il gas ammoniaca attraverso l'aerogel in un reattore. Questo ha fatto sì che singoli atomi di azoto nella struttura cristallina del TiO2-nanoparticelle.
Un aerogel modificato rende la reazione più efficiente
Per verificare se l'aerogel modificato rende effettivamente più efficiente la reazione chimica desiderata, in questo caso la produzione di idrogeno da metanolo e acqua, Kwon ha sviluppato uno speciale reattore in cui ha inserito l'aerogel direttamente come pezzo intero (monolite). Ha poi fatto passare una miscela di gas composta da vapore di acqua e metanolo attraverso l'aerogel nel reattore, illuminato con due luci LED. La miscela di gas si diffonde attraverso lo spazio dei pori dell'aerogel, dove si deposita sulla superficie del TiO2- e nanoparticelle di palladio nell'idrogeno desiderato.
La reazione era stabile e continua in questo sistema di prova prima che il ricercatore interrompesse l'esperimento dopo cinque giorni. "Probabilmente il processo sarebbe rimasto stabile più a lungo", afferma Niederberger. "Soprattutto per quanto riguarda le applicazioni industriali, è importante che il processo sia stabile il più a lungo possibile" I ricercatori sono soddisfatti anche della resa. Il metallo prezioso palladio ha anche aumentato significativamente l'efficienza di conversione: negli aerogel con palladio è stato prodotto fino a 70 volte più idrogeno rispetto a quelli senza.
Aumento del flusso di gas
Questo esperimento è servito ai ricercatori soprattutto come studio di fattibilità. I fotocatalizzatori ricavati dagli aerogel rappresentano una nuova classe di fotocatalizzatori che offrono un'insolita struttura tridimensionale e sono adatti anche a molte altre interessanti reazioni in fase gassosa oltre alla produzione di idrogeno. Rispetto all'elettrolisi convenzionale di oggi, i fotocatalizzatori hanno il vantaggio di poter essere utilizzati per produrre idrogeno usando solo la luce e senza elettricità.
Se l'aerogel sviluppato dal gruppo di Niederberger sarà mai utilizzato su larga scala è ancora incerto. Ad esempio, la questione di come accelerare il flusso di gas attraverso l'aerogel rimane senza risposta. Attualmente, i pori estremamente piccoli ostacolano troppo il flusso di gas. "Per poter utilizzare questo sistema su scala industriale, dobbiamo innanzitutto aumentare il flusso di gas e migliorare l'irradiazione degli aerogel", spiega Niederberger. Lui e il suo gruppo stanno già lavorando su questi aspetti.
Un materiale come "fumo congelato"
Gli aerogel sono materiali straordinari. Sono estremamente leggeri e porosi e vantano un'enorme superficie: un grammo di materiale può avere una superficie di 1200 metri quadrati. Grazie alla loro trasparenza, gli aerogel appaiono come "fumo congelato". Sono eccellenti isolanti termici e vengono quindi utilizzati nei viaggi spaziali. Sono inoltre sempre più utilizzati per l'isolamento termico degli edifici. Tuttavia, la loro produzione è ancora ad alta intensità energetica. Di conseguenza, i materiali sono costosi. Il primo aerogel è stato prodotto a partire dalla silice dal chimico Samuel Kistler nel 1931.
Riferimento alla letteratura
Kwon J, Choi K, Schreck M, Liu T, Tervoort E, Niederberger M: Doping di azoto in fase gassosa di nanoparticelle monolitiche di TiO2 Aerogel a base di nanoparticelle per un'efficiente fotocatalisi di H2 Produzione. ACS Applied Materials & Interfaces 2021 13 (45), 53691-53701. pagina esternaDOI: 10.1021/acsami.1c12579