O hidrogênio é uma fonte alternativa de energia que pode ser produzida a partir de fontes renováveis ​​de luz solar e água. Um grupo de pesquisadores japoneses desenvolveu um fotocatalisador que aumenta em dez vezes a produção de hidrogênio.

A descoberta foi feita por uma equipe de pesquisa conjunta liderada pelo Professor Associado TACHIKAWA Takashi (Molecular Photoscience Research Center, Kobe University) e Professor MAJIMA Tetsuro (Instituto de Pesquisa Científica e Industrial, Universidade de Osaka). Suas descobertas foram publicadas em 6 de abril na versão online do Angewandte Chemie International Edition .

Quando a luz é aplicada a fotocatalisadores, elétrons e lacunas são produzidos na superfície do catalisador, e o hidrogênio é obtido quando esses elétrons reduzem os íons de hidrogênio na água. Contudo, nos fotocatalisadores tradicionais, os buracos que são produzidos ao mesmo tempo que os elétrons se recombinam principalmente na superfície do catalisador e desaparecem, tornando difícil aumentar a eficiência de conversão.

O grupo de pesquisa do professor Tachikawa desenvolveu um fotocatalisador feito de mesocristal, criando deliberadamente uma falta de uniformidade no tamanho e na disposição dos cristais. Este novo fotocatalisador é capaz de separar espacialmente os elétrons e buracos de elétrons para evitar que se recombinem. Como resultado, tem uma taxa de conversão muito mais eficiente para a produção de hidrogênio do que fotocatalisadores nanoparticulados convencionais (aproximadamente 7 por cento).

A equipe desenvolveu um novo método chamado "crescimento epitaxial topotático", que usa espaços do tamanho de nanômetros em mesocristais. Com base neste método de síntese, eles foram capazes de sintetizar titanato de estrôncio (SrTiO3) a partir de um composto com uma estrutura diferente, óxido de titânio (TiO2), usando uma reação hidrotérmica simples de uma etapa. Ao aumentar o tempo de reação, eles também podem fazer crescer partículas maiores perto da superfície, preservando sua estrutura cristalina.

Quando eles anexaram um cocatalisador ao mesocristal sintetizado e aplicaram luz ultravioleta na água, a reação ocorreu com eficiência de conversão de energia de luz de aproximadamente 7 por cento. Nas mesmas condições, Nanopartículas de SrTiO3 que não foram convertidas em mesocristais alcançaram uma eficiência de conversão de menos de 1 por cento, provando que a eficiência da reação aumentou dez vezes sob a estrutura mesocristal. Quando cada partícula foi examinada sob um microscópio fluorescente, a equipe descobriu que os elétrons produzidos durante a reação se reuniram em torno dos nanocristais maiores.

Quando exposto à luz ultravioleta, os elétrons neste fotocatalisador recém-desenvolvido movem-se suavemente entre as nanopartículas dentro do mesocristal, se reúnem em torno dos nanocristais maiores gerados na superfície do cristal, e reduzir de forma eficiente os íons de hidrogênio para criar hidrogênio.

A descoberta deste poderoso fotocatalisador começou com a ideia dos pesquisadores de "quebrar deliberadamente a estrutura ordenada dos mesocristais, "um conceito que poderia ser aplicado a outros materiais. O titanato de estrôncio usado desta vez é um cristal cúbico, o que significa que não há variação na adsorção molecular ou na força da reação para cada plano de cristal. Ao regular o tamanho e o arranjo espacial dos nanocristais, que formam os blocos de construção para esta estrutura, pode ser possível aumentar significativamente a eficiência de conversão de energia da luz do sistema existente.

Usando essas descobertas, o grupo de pesquisa planeja aplicar a tecnologia mesocristal para realizar a produção supereficiente de hidrogênio a partir da energia solar. Os óxidos de metal perovskita, incluindo titanato de estrôncio, o alvo deste estudo, são os materiais fundamentais dos elementos eletrônicos, portanto, seus resultados podem ser aplicados a uma ampla gama de campos.