Nitruro di carbonio grafitico per la produzione fotocatalitica di idrogeno

I problemi legati al consumo massiccio di combustibili fossili e il conseguente inquinamento ambientale hanno spinto alla ricerca di fonti alternative per sopperire al crescente fabbisogno energetico mondiale. Una soluzione promettente consiste nella conversione dell’energia solare -pulita, inesauribile e ampiamente distribuita sul pianeta- in energia chimica tramite l’impiego della fotocatalisi per produrre i cosiddetti “combustibili solari”. Tra questi, l’idrogeno (H2) è stato identificato come candidato ideale dato che può essere prodotto a partire dal reagente più abbondante sulla terra, l’acqua, tramite processi di scissione della stessa (reazione anche detta di water splitting H2O → ½O2 + H2). L’idrogeno presenta inoltre un’entalpia di combustione elevata e può essere direttamente utilizzato nelle celle a combustibile generando come unico prodotto di ossidazione l’acqua. Nonostante i suddetti vantaggi dell’idrogeno, la sua generazione dall’acqua è un processo endoergonico e cineticamente lento, che richiede pertanto opportuni catalizzatori per aver luogo. In tal contesto, materiali a base di ossidi o calcogenuri metallici mostrano caratteristiche chimico-fisiche interessanti quali fotocatalizzatori per la reazione di water-splitting. Tuttavia, la maggior parte di questi semiconduttori sono in grado di assorbire solo radiazione ultravioletta o, al più, una piccola frazione della luce visibile, risultano costosi, inquinanti e spesso posseggono valori in energia della banda di conduzione e valenza che non consentono di promuovere le reazioni di riduzione e di ossidazione dell’acqua. Negli ultimi anni hanno preso piede i fotocatalizzatori metal-free, a base di elementi come fosforo, azoto, boro e carbonio, tra cui ha riscosso particolare attenzione il nitruro di carbonio grafitico (g-C3N4). Si tratta di un materiale dalle proprietà interessanti: è costituito da due elementi, azoto e carbonio, abbondanti e non tossici, ha una struttura elettronica adatta ai valori di potenziali richiesti per la reazione di water-splitting ed è in grado di assorbire luce visibile. Tuttavia, presenta anche alcuni inconvenienti come un’elevata ricombinazione elettrone-lacuna e una bassa area superficiale che ne limitano il suo impiego in fotocatalisi. Nel seguente elaborato saranno indagate tre principali strategie attuate al fine di potenziare l’attività fotocatalitica del nitruro di carbonio grafitico: la realizzazione di g-C3N4 nanostrutturato con morfologia controllata, la formazione di eterogiunzioni con altri materiali e il drogaggio con elementi metallici o non metallici.