Verso un uso più efficiente di energia solare

April 20, 2011

Lo sfruttamento e l'utilizzo di nuove fonti di energia sono considerate tra le principali sfide di oggi. L'energia solare ha un ruolo centrale, e la sua conversione diretta in energia chimica, per la produzione di idrogeno dalla scissione dell'acqua ad esempio, è una delle sue varianti più interessanti. Fotocatalisi a base di ossido di titanio è il processo di conversione attualmente più efficiente, ma poco compreso. In collaborazione con i colleghi di Germania e all'estero, gli scienziati dell'Istituto per KIT funzionale Interfaces (IFG) hanno studiato i meccanismi di base della fotochimica con l'esempio di titanio e hanno presentato nuove conoscenze dettagliate. Anche se la produzione di idrogeno da acqua e luce solare per mezzo di polveri di ossido è stata ampiamente studiata da diversi decenni, i meccanismi di base fisica e chimica dei processi coinvolti non può ancora essere descritta in modo soddisfacente. Insieme ai colleghi delle università di St. Andrews (Scozia) e Bochum e Helmholtz-Forschungszentrum a Berlino, gli scienziati dell'Istituto KIT per le interfacce funzionali, guidato dal professor Christof Woll, sono riusciti a raccogliere nuove scoperte sui meccanismi fondamentali della fotochimica di diossido di titanio (TiO2). Il biossido di titanio o ossido di titanio, è un materiale fotoattivo presente in natura nelle modifiche del rutilo e anatasio, la seconda delle quali è caratterizzata da una attività fotochimica dieci volte superiore. Quando la polvere bianca TiO2, che è anche usato come pigmento in vernici e creme solari, è esposta alla luce, gli elettroni sono eccitati e possono ad esempio dividere l’acqua nelle sue componenti di ossigeno e idrogeno. L'idrogeno prodotto in questo modo è una fonte di energia "pulita", non viene generato nessun tipo di gas serra, ma solo acqua che viene prodotta durante la combustione. Il biossido di titanio è utilizzato anche per la fabbricazione di superfici autopulenti da cui vengono rimossi i film indesiderati attraverso processi fotochimici innescati dall’impatto della luce solare. Finora, i meccanismi fisici di queste reazioni fotochimiche su superfici in titanio e soprattutto il motivo di questa attività molto più alta di anatasio non potevano essere spiegati. Le particelle di polvere utilizzate in fotoreattori hanno una dimensione pari a pochi nanometri e sono quindi troppo piccole per l'uso in studi per mezzo di metodi di analisi di superficie. Utilizzando supporti a singolo cristallo, i ricercatori sono stati per la prima volta in grado di studiare con precisione i processi fotochimici sulla superficie del biossido di titanio per mezzo di uno spettrometro a infrarossi. Usando una tecnica laser, gli scienziati, in oltre, hanno determinato la durata dell’eccitazione della luce indotta all'interno del cristallo TiO2. L’Anatasio è particolarmente adatto per quest'ultimo scopo, perché è dotato di una speciale struttura elettronica che impedisce i "corto circuiti interni". La conoscenza di questa caratteristica permetterà ai ricercatori di ottimizzare ulteriormente la forma, la dimensione e il doping di particelle di anatasio utilizzate all'interno dei fotoreattori. L'obiettivo è sviluppare i materiali fotoattivi con maggiore efficienza e una durata maggiore: "I risultati ottenuti dal professor Woll e suoi collaboratori sono di grande importanza per quanto riguarda la generazione di energia elettrica e chimica dalla luce solare e in particolare per quanto riguarda l'ottimizzazione dei fotoreattori" spiega il professor Olaf Deutschmann, portavoce della ricerca Helmholtz Training Group su "Catalisi connessi all'energia".