Nuovo tipo di visibile

Aug 31, 2023

Università di Johannesburg

immagine: I ricercatori dell'Università di Johannesburg hanno sviluppato un nuovo tipo di fotocatalizzatore a luce visibile efficiente ed economico per i processi industriali. La ricerca appare su https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S246821792300062X.vedere di più

Crediti: Grafica di Therese van Wyk, Università di Johannesburg

I ricercatori dell’Università di Johannesburg hanno sviluppato un nuovo tipo di fotocatalizzatore che sfrutta la porzione visibile dello spettro solare. Attualmente, i fotocatalizzatori economici ed ecologici "utilizzano" solo lo spettro UV della luce solare, ad esempio il biossido di titanio comunemente usato e altri equivalenti.

La ricerca è pubblicata su Journal of Science: Advanced Materials and Devices.

Il fotocatalizzatore è il primo fotocatalizzatore a tre componenti con queste specifiche proprietà fotocatalitiche. È composto per quasi il 90% da ingredienti economici standardizzati e abbastanza semplice da poter essere prodotto su larga scala in laboratori con risorse limitate.

In altre ricerche è stato descritto un fotocatalizzatore contenente il metallo nobile palladio (Pd), che “utilizza” anche lo spettro visibile della luce solare.

Al contrario, il fotocatalizzatore in questo studio utilizza piccole quantità del carburo metallico di transizione minore, il niobio, per preparare il terzo componente, un nanomateriale noto come MXene.

Il carburo di niobio MXene è stato utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni fotocatalitiche come la generazione di idrogeno e la conversione dell'anidride carbonica in prodotti preziosi.

Sotto forma di polvere, il fotocatalizzatore è anche estremamente stabile alle alte temperature, all'umidità e alle variazioni chimiche.

La cattura con i fotocatalizzatori

Ridurre il consumo di energia nei processi industriali di massa può essere complicato. Ma cosa accadrebbe se una parte importante dell'energia elettrica consumata potesse invece essere "recuperata" dal sole?

I fotocatalizzatori possono essere "accesi" dalla luce solare e da altre forme di luce. Questi possono quindi facilitare i processi chimici per ordini di grandezza. Questi catalizzatori mostrano potenzialità per essere utilizzati in una varietà di industrie di generazione di energia e di disintossicazione ambientale.

Ma c'è un problema. Attualmente, i fotocatalizzatori altamente efficaci tendono ad essere molto costosi. Anche difficile e persino pericoloso da realizzare.

Una componente importante del costo dei fotocatalizzatori può essere costituita da metalli come platino, palladio o oro. L'utilizzo di metalli nei fotocatalizzatori non è auspicabile nemmeno dal punto di vista ambientale.

Un altro problema è che la maggior parte dei fotocatalizzatori attuali tendono ad “accendersi” soprattutto in seguito all’esposizione alla luce UV, che costituisce solo il 5% dell’energia solare che raggiunge la superficie della Terra.

Nel frattempo, la luce visibile costituisce il 45% dell’energia luminosa solare disponibile, e il vicino infrarosso il restante 50%.

Aggiungendo un terzo dello spettro della luce visibile

Il fotocatalizzatore progettato e testato dai ricercatori copre circa un terzo dello spettro della luce visibile, afferma il prof. Langelihle (Nsika) Dlamini. Dlamini è un ricercatore presso il Dipartimento di Scienze Chimiche dell'UJ.

Per dare un’idea di ciò, lo spettro ultravioletto (UV) ha lunghezze d’onda più corte (alta energia), che vanno da 200 a 400 nanometri. La luce solare visibile ha lunghezze d'onda più lunghe (bassa energia) da 400 a 700 nanometri.

La porzione viola-blu-ciano-verde della luce solare visibile proprio accanto alla luce UV è ciò a cui risponde il fotocatalizzatore dei ricercatori dell'UJ. Questa porzione di luce visibile a bassa energia “accende” anche il fotocatalizzatore per avviare reazioni chimiche.

“Il fotocatalizzatore è eccitato e ha un basso tasso di ricombinazione indesiderata di elettroni e lacune nell’intervallo di lunghezze d’onda compreso tra 420 e 520 nanometri. Ciò è dovuto al design strutturale unico dei materiali integrati”, afferma Dlamini.

“Ciò significa che il fotocatalizzatore dovrebbe essere in grado di rispondere a un ulteriore 15% dell’energia solare disponibile per avviare processi chimici, a seconda della sua efficienza”, afferma.