La capacità di produrre idrogeno verde in modo completamente eco-sostenibile attraverso i processi di fotocatalisi dipende, infatti, strettamente dalle proprietà del semiconduttore (come, ad esempio, l’ossido di titanio TiO2), il materiale che viene esposto alla luce solare per attivare la reazione chimica. In questi sistemi, la materia prima, cioè gli atomi di idrogeno che compongono l'idrogeno molecolare, proviene dall'acqua liquida a contatto con il semiconduttore. Quando il semiconduttore è colpito dalla luce solare, genera cariche elettriche che, sotto opportune condizioni, separano le molecole d'acqua in ossigeno e idrogeno. “Le ricerche precedenti nel campo della fotocatalisi si sono concentrate esclusivamente sulle proprietà chimico-fisiche del semiconduttore, con l'obiettivo di sviluppare fotocatalizzatori stabili, economici ed efficienti per la produzione di idrogeno. Tradizionalmente, l'acqua è da sempre stata vista come un semplice ambiente passivo in cui avviene la reazione chimica, senza un ruolo attivo nella produzione dell'idrogeno”, afferma Giuseppe Cassone, ricercatore Cnr-Ipcf.
Questo studio dimostra che l'organizzazione delle molecole d'acqua a livello sub-microscopico gioca, invece, un ruolo cruciale. Utilizzando tecniche sperimentali e simulazioni avanzate su supercomputer, è stato scoperto che l'efficienza nella produzione di idrogeno non dipende solo dalle caratteristiche del semiconduttore, ma anche in modo significativo dalla disposizione delle molecole d'acqua nei primi strati adiacenti alla sua superficie.
“Questo è un risultato innovativo perché per la prima volta si mette in luce l'importanza cruciale dell'acqua stessa nel processo, aprendo nuove strade per migliorare l'efficienza della produzione di idrogeno verde”, osserva Rosaria Verduci dell’Università di Messina.
Il lavoro offre una comprensione più profonda dei processi di attivazione fotocatalitica e apre nuove prospettive nella progettazione di materiali catalitici capaci di influenzare la struttura dell'acqua a livello molecolare. “Questi progressi sono fondamentali per una produzione di idrogeno verde più efficiente e sostenibile, contribuendo a un futuro energetico più pulito e rispettoso dell'ambiente, in linea con la transizione verso un'economia globale a zero emissioni entro il 2050”, conclude Fabrizio Creazzo, dell’Università di Zurigo.
Lo studio è frutto di una collaborazione tra un team di fisici e chimici industriali. Allo studio hanno preso parte Giuseppe Cassone di Cnr-Ipcf, Giovanna D’Angelo, Gabriele Centi, Siglinda Perathoner e Rosaria Verduci dell’Università di Messina e Fabrizio Creazzo dell’Università di Zurigo.
