Il fotoreforming di composti organici offre una valida alternativa tecnologica ai fini della conversione diretta di energia solare in idrogeno. In tale processo, l'illuminazione di un semiconduttore immerso in una soluzione contenente un composto organico porta alla formazione di buche ed elettroni. Le buche permettono l'ossidazione dell'organico mentre gli elettroni sono utilizzati per ridurre protoni.
Il biossido di titanio TiO2 è considerato dalla comunità scientifica il più promettente catalizzatore di fotoreforming. La sola applicazione di TiO2 risulta tuttavia insufficiente a raggiungere una produttività di idrogeno che possa assicurare la sostenibilità economica di processi di fotoreforming. Maggiore limite è rappresentato da fenomeni di ricombinazione buca-elettrone e dalla incapacità di biossido di titanio di assorbire energia nello spettro del visibile. Tali limiti possono essere superati depositando sulla superficie del TiO2 nanoparticelle di Cu2O. Tale ossido può assorbire la radiazione nel campo del visibile e presenta caratteristiche (potenziali bande di conduzione e di valenza) che consentono una efficace separazione di buche ed elettroni. Numerosi studi hanno evidenziato come l'attività di fotocatalizzatori compositi TiO2-Cu2O vari considerevolmente al variare della morfologia e delle dimensioni delle nanoparticelle di Cu2O.
Obiettivo centrale del presente progetto di ricerca è la dimostrazione di una metodologia di elettrodeposizione di nanoparticelle di Cu2O con morfologia controllata su nanotubi di TiO2. Il progetto analizzerà l'influenza delle condizioni operative di elettrodeposizione su morfologia e dimensioni delle nanoparticelle di Cu2O. I catalizzatori saranno testati in processi di fotoreforming permettendo di stabilire l'influenza delle caratteristiche morfologiche sull'attività catalitica. I risultati porteranno lo sviluppo di un catalizzatore che permetta di massimizzare la conversione dell'energia solare in idrogeno.
Gli elevati costi di produzione rendono l'applicazione di metalli nobili economicamente insostenibile in processi di photoreforming, mentre l'applicazione di catalizzatori di photoreforming prodotti attraverso deposizione di metalli ad inferiore valore aggiunto su TiO2 risulta ad oggi non percorribile a causa della ridotta produttività di idrogeno raggiunta. Considerevoli sforzi sono in questa direzione necessari per incrementare la competitività dei catalizzatori di fotoreforming prodotti attraverso applicazione di metalli largamente disponibili.
Secondo i risultati sperimentali riportati da numerosi studi, la deposizione di nanostrutture di Cu2O su TiO2 costituisce una promettente alternativa alla applicazione di metalli nobili su TiO2. Tuttavia, gli studi condotti evidenziano l'assenza di una approfondita analisi dei meccanismi di sintesi dei catalizzatori rame/TiO2. In assenza di tale analisi, risulta impraticabile il controllo di morfologia, dimensioni e caratteristiche cristalline delle nanostrutture di Cu2O e TiO2 che determinano l'attività catalitica.
In particolare, mentre nanotubi di TiO2 con dimensioni controllate possono essere prodotti attraverso una consolidata metodologia di sintesi che include l'anodizzazione di titanio metallico, minore attenzione è stata rivolta allo sviluppo di metodologie di deposizione di nanostrutture di Cu2O su TiO2. Le tecniche di deposizione tradizionalmente adottate includono l'impregnazione del TiO2 nanostrutturato con un sale di rame e la successiva calcinazione. Tale metodologia offre tuttavia uno scarso controllo di dimensioni, morfologia e composizione delle particelle di rame prodotte.
Un più efficace controllo di tali caratteristiche può essere raggiunto attraverso elettrodeposizione di Cu2O su TiO2. Nella applicazione della tecnica di elettrodeposizione, morfologia, dimensioni e composizione delle strutture di rame depositate possono essere controllate attraverso variazione del potenziale, della quantità di carica trasferita e attraverso applicazione di composti stabilizzanti e/o templanti. Mentre preliminari studi hanno evidenziato la possibilità di depositare nanoparticelle di Cu2O su elettrodi di TiO2, i meccanismi del processo di elettrodeposizione appaiono tuttavia lontani dall'essere compresi. Risulta assente un accurato studio dell'influenza delle condizioni operative (potenziale, strategia di variazione del potenziale, quantità di carica, caratteristiche di surfattanti/stabilizzanti) e delle caratteristiche strutturali del TiO2 su morfologia, dimensioni e composizione delle nanoparticelle di Cu2O e sulla attività catalitica dei materiali compositi Cu2O-TiO2 prodotti. Una indicazione della scarsa attenzione rivolta allo studio del processo di elettrodeposizione di Cu2O su nanotubi di TiO2 è fornita dal ridotto numero di articoli scientifici ad oggi pubblicati su tale processo. Un'accurata analisi dei meccanismi di elettrodeposizione di Cu2O su nanotubi di TiO2 risulta pertanto centrale ai fini della sintesi di materiali nanostrutturati Cu2O-TiO2 che garantiscano attività catalitica in processi di fotoreforming paragonabile a quella raggiunta attraverso la deposizione di nanoparticelle di metalli nobili su TiO2.
Due membri del gruppo di ricerca proponente (Francesca Pagnanelli e Pietro Altimari) hanno maturato nel corso degli ultimi anni una consolidata esperienza nello studio della sintesi di nanoparticelle metalliche attraverso processi di elettrodeposizione. Le conoscenze acquisite saranno integrate nel presente progetto di ricerca con le competenze di caratterizzazione superficiale e di conoscenza nel campo di materiali nanostrutturati del Prof. Robertino Zanoni (membro del gruppo di ricerca). Tale mix di competenze permetterà di valutare la dipendenza di morfologia e caratteristiche strutturali dei catalizzatori prodotti dalle condizioni operative di elettrodeposizione (dimensioni nanotubi, potenziale elettrodeposizione, quantità di carica). La collaborazione del gruppo proponente con il gruppo del Prof. Roberto Andreozzi dell'Università Federico II di Napoli, attivo nell'attività catalitica in processi di fotoreforming, permetterà l'integrazione di questi aspetti nel progetto.
La struttura del progetto descritta assicurerà l'ottimizzazione dell'attività catalitica degli elettrodi nanostrutturati Cu2O-TiO2 in processi di fotoreforming.