L’idrogeno prodotto dalla scissione dell’acqua utilizzando l’energia solare è anche chiamato “idrogeno solare” e rappresenta un possibile futuro combustibile pulito e a basso costo. In particolare, la fotoelettrocatalisi permette di ottenere direttamente idrogeno di elevatissima purezza e rappresenta un metodo di utilizzo dell’energia solare alternativo alla produzione elettrica e successivo accumulo del surplus. Un’applicazione efficiente della fotoelettrocatalisi richiede lo sviluppo e la realizzazione di fotoelettrodi attivi, stabili ed economici sotto forma di film sottili ottenibili attraverso idonee tecniche di deposizione. Al momento, non sono stati ancora ottenuti efficienti sistemi di produzione sotto irraggiamento con luce visibile, pertanto lo sviluppo di materiali fotocatalitici stabili ed efficienti diventa una chiave per il futuro dell’idrogeno solare.

Per la realizzazione di elettrodi da impiegare nella produzione di idrogeno mediante la reazione di scissione fotocatalitica dell’acqua, l’attività di ricerca oggetto di questo rapporto è stata dedicata all’identificazione e alla caratterizzazione di materiali foto-attivi e alla loro deposizione in forma di film sottili.

Tra i materiali anodici individuati attraverso lo studio della bibliografia è stato selezionato il BiVO₄ che è stato sintetizzato mediante una procedura di sintesi per combustione, reperita in letteratura ed ottimizzata per consentirne la deposizione in forma di film cristallino su un idoneo supporto di vetro conduttivo. Per il materiale catodico, l’attenzione è stata invece focalizzata sul C₃N₄, investigando la possibilità di migliorarne le prestazioni come fotocatalizzatore attraverso la formazione di eterogiunzioni con altri materiali semiconduttori. Il materiale è stato sintetizzato tramite pirolisi in flusso di azoto, sia in forma di polveri che di film sottile.

Sia il materiale catodico che quello anodico sono stati caratterizzati in forma di film sia dal punto di vista elettrochimico, tramite voltammetria ciclica, sia da quello morfologico mediante analisi di microscopia elettronica a scansione (SEM).

Come co-catalizzatori catodici si sono indagate fasi perovskitiche, le cui caratteristiche ottiche ed elettroniche sono ampiamente modulabili per adattarsi al processo considerato. È stata investigata un’ampia gamma di perovskiti, ibride e inorganiche contenenti diversi cationi metallici:

PEA₂PbBr₄, PEA₂PbCl_4, PEA₂SnBr_4, Cs₃Bi₂I₉, MA₃Bi₂I₉, Cs₃Bi₂Br_9, PhBZA₂GeBr₄, biPEA₂GeBr₄.

Le perovskiti sono state sintetizzate per precipitazione e hanno mostrato una discreta stabilità in ambiente acquoso. I materiali più stabili in tal senso sono risultati essere la PEA₂SnBr₄ e le due perovskiti con germanio.

Le fasi stabili in acqua sono state poi caratterizzate in termini di capacità di produrre idrogeno. La migliore è risultata essere la Cs₃Bi₂Br₉, con una produzione di idrogeno di un ordine di grandezza superiore a tutte le altre perovskiti

Alcune perovskiti sono state selezionate per la formulazione di sistemi compositi con il C₃N₄, che hanno evidenziato un effetto sinergico risultando significativamente più performanti dei materiali puri. In tutti i casi, i materiali compositi più performanti sono risultati quelli con composizione a basso contenuto di perovskite.

Il sistema più efficiente è risultato essere il C₃N₄ – PEA₂SnBr₄, tuttavia per l’iniziale studio di messa a punto della deposizione di film sottili mediante sputtering è stato selezionato il Cs₃Bi₂Br₉, in quanto maggiormente stabile termicamente e quindi più adatto all’accoppiamento con C₃N₄. Per la deposizione sono state usate come target le polveri dei precursori, pressate sul catodo, in atmosfera di Ar.