Nuovi materiali fotocatalittici per la conversione di energia solare basati su etero giunzioni

Il progetto è focalizzato sulla progettazione, preparazione e caratterizzazione di nuovi materiali fotocatalitici basati su eterogiunzioni fra diversi ossidi semiconduttori o modificati in superficie per grafting di cluster di ossidi amorfi, deposizione di quantum dots o particelle metalliche anche con proprietà plasmoniche. La caratterizzazione dei materiali verrà condotta con una serie di tecniche comprendenti non solo analisi superficiali e strutturali standard, ma anche tecniche spettroscopiche d¿avanguardia, quali la risonanza paramagnetica elettronica (EPR) e la fotoluminescenza risolta nel tempo. L¿attività fotocatalitica dei nuovi materiali verrà testata direttamente in reazioni di conversione di energia solare in energia chimica, quali la produzione di idrogeno da soluzioni acquose e la fotoriduzione di CO2. La progettazione dei materiali e l¿interpretazione delle relazioni struttura-attività si avvarrà della modellizzazione teorica delle eterogiunzioni. Obiettivo principale del progetto è la preparazione e la verifica dell¿attività fotocatalitica dei nuovi materiali in reazioni di conversione di energia solare in energia chimica, facilmente immagazzinabile e trasportabile. L¿introduzione di eterogiunzioni sia all¿interno della struttura, sia sulla superficie dei materiali fotoattivi che si intendono sviluppare, è mirata ad un più efficiente utilizzo della radiazione solare, grazie ad una migliore separazione dei portatori di carica fotogenerati e ad una accresciuta capacità di assorbimento di luce solare. La comprensione della struttura elettronica delle eterogiunzioni nei nuovi materiali, ottenibile attraverso una analisi delle relazioni struttura-attività condotta anche con tecniche spettroscopiche mirate, consentirà di individuare i sistemi più promettenti da utilizzare in forma di film in dispositivi per la conversione di energia solare in energia chimica. Il progetto prevede la collaborazione di quattro unità di ricerca, di cui tre in atenei milanesi (UniMi, UniMiB e PoliMi) e una a Torino (UniTo), con competenze multidisciplinari fra loro complementari. La modellizzazione teorica delle eterogiunzioni condotta da UniMiB farà da guida alla sintesi dei materiali, condotta da UniMi e UniTo con tecniche preparative diverse, e alla loro modifica superficiale, condotta da UniMi, che si occuperà anche della determinazione di attività fotocatalitica dei materiali nella conversione di energia solare. I materiali verranno caratterizzati con varie tecniche da UniTo e UniMi, con misure EPR sotto irraggiamento da UniTo e di fotoluminescenza risolta nel tempo da PoliMi. Il progetto dovrebbe condurre 1) all¿individuazione dei materiali fotocatalitici più promettenti per la conversione di energia solare in energia chimica e 2) alla messa a punto di nuovi dispositivi basati su tali materiali (principalmente a cura di UniMi e PoliMi). Principale risultato atteso è la comprensione del meccanismo mediante cui le eterogiunzioni presenti nella struttura o sulla superficie dei materiali semiconduttori consentono una migliore separazione dei portatori di carica fotogenerati ed eventualmente un maggiore assorbimento di luce solare. Questo sarà possibile grazie ad un¿analisi sistematica dei risultati ottenuti con materiali composti da miscele di ossidi o variamente modificati in superficie, utilizzando tecniche fra loro complementari, partendo da calcoli di struttura elettronica per arrivare a misure dirette dell¿attività fotocatalitica, alla determinazione di specie paramagnetiche prodotte sotto irraggiamento e della loro reattività, e alla determinazione dei tempi di vita dei portatori di carica fotogenerati da misure di fluorescenza risolta nel tempo. Verranno così identificate le caratteristiche strutturali e superficiali ottimali che tali materiali devono possedere per una efficiente conversione dell¿energia solare.