PhD Top Stories

Negli ultimi decenni i combustibili fossili sono stati ampliamente utilizzati nelle attività quotidiane, contribuendo ad un veloce aumento delle concentrazioni di anidride carbonica (CO2) nell’aria. La ricerca scientifica si è pertanto focalizzata sulla produzione di combustibili alternativi e sul riutilizzo della CO2 emessa come punto di partenza per la sintesi di idrocarburi ed alcool. La CO2 è una molecola molto stabile e per scinderla è necessario avere un materiale capace di sfruttare una fonte di energia esterna per “attivare” i processi coinvolti. Quando la fonte d’energia è una radiazione luminosa, questo processo di scissione prende il nome di Fotocatalisi e il materiale capace di assorbire tale radiazione diventa un fotocatalizzatore. Generalmente i fotocatalizzatori sono ossidi inorganici in quanto questi materiali riescono ad assorbire la radiazione e sfruttarla per i processi catalitici, sono facilmente reperibili ed è possibile modificarli per poterne migliorare le prestazioni. L’ossido di rame I (Cu2O) è un materiale che presenta ottime proprietà catalitiche, basso costo ed impatto ambientale e la possibilità di ottimizzarne il comportamento mediante la sintesi di particelle di dimensioni o forme diverse. Con i metodi di “Facet Engineering” infatti, è possibile modificare direttamente proprietà quali selettività, capacità di assorbire radiazioni di diversa lunghezza d’onda e reattività nei confronti del processo coinvolto. In questo lavoro abbiamo esplorato i diversi metodi con la quale è possibile ottenere nanoparticelle di Cu2O dalla forma precisa e le applicazioni che tali strutture offrono nel campo della fotocatalisi. In particolare, con il nostro metodo è possibile ottenere nanoparticelle di Cu2O dalla forma diversa, partendo da quella cubica più stabile per arrivare a forme più complesse, semplicemente variando le concentrazioni di cloridrato di idrossilammina (NH2OH*HCl), una molecola utilizzata come specie riducente. Come si può notare dalle immagini di Microscopia Elettronica a Scansione (SEM) ottenute infatti, è possibile correlare ogni forma delle nanoparticelle di Cu2O ad una particolare concentrazione di NH2OH*HCl (Figura 1).

Figura 1: Immagini SEM delle diverse nanoparticelle di Cu2O ottenute variando la concentrazione di NH2OH*HCl durante la sintesi.

Esporre diverse facce cristallografiche significa avere una diversa organizzazione degli atomi superficiali del Cu2O, favorendo quindi proprietà e reattività diverse (Figura 2).

Figura 2: Diversa reattività di alcune forme di Cu2O nei confronti della fotodegradazione di un colorante organico.

Grazie alla flessibilità di queste proprietà, il Cu2O trova svariate applicazioni nella fotocatalisi, dalla degradazione di molecole organiche, alla produzione di idrogeno a partire dall’acqua, fino ad arrivare al più promettente riciclo della CO2 per la produzione di idrocarburi o alcoli. Il Cu2O presenta però la limitazione di essere poco stabile in quanto spesso avvengono delle modificazioni che ne alterano, nella quasi totalità dei casi peggiorano, il comportamento nei confronti del processo coinvolto. Il modo migliore per limitare questo problema, ottimizzando al tempo stesso anche le prestazioni complessive, è attraverso la formazione di compositi, accoppiando cioè un altro catalizzatore in grado di favorire i fenomeni che avvengono sulla superficie del materiale.

Da questo punto di vista, i nostri sforzi si sono concentrati sulla sintesi di compositi di Cu2O con il “Graphitic Carbon Nitride” (g-C3N4), un promettente materiale 2D dalle ottime capacità fotocatalitiche. Per concludere, con questo lavoro abbiamo voluto sottolineare l’importanza del controllo della forma nella sintesi di nanoparticelle di Cu2O per applicazioni fotocatalitiche. Numerosi sforzi dovranno essere fatti per poter osservare un netto miglioramento delle prestazioni del Cu2O, sia dal punto di vista dell’ottimizzazione del materiale, sia da quello della comprensione dei meccanismi che regolano i processi catalitici. La fotocatalisi della CO2 continua ad essere un processo complicato da prevedere e controllare a causa della variabilità di forma, dimensione e composizione del catalizzatore coinvolto. Solamente ottimizzando il materiale fotocatalitico sarà possibile avere un’adeguata riproducibilità nella misura e riuscire in futuro a sfruttare questi processi anche in ambito industriale per poter limitare drasticamente l’impatto dell’uomo nell’ambiente circostante.

Autori ed affiliazioni

Contatto

Riferimento bibliografico