Scienze Chimiche

Dott. Nicola Dalle Carbonare

Per la presentazione della tesi dal titolo:
Surface and interface modification of nanostructured hematite for solar water splitting

Motivazione
L’attività di ricerca del Dott. Nicola Dalle Carbonare si è orientata allo studio e alle modifiche interfacciali di fotoelettrodi di ematite nanostrutturata da impiegarsi in celle fotoelettrochimiche per la scissione dell’acqua. L’ematite è un materiale facilmente sintetizzabile in forma cristallina o nanocristallina da precursori a basso costo ed estremamente abbondanti ed ha un gap energetico atto all’assorbimento di una porzione ampia dello spettro visibile. α-Fe2O3 sarebbe quindi un materiale elettrodico ideale per processi fotoelettrochimici basati sull’eccitazione diretta del proprio gap, se non fosse fortemente limitata da sfavorevoli processi cinetici di separazione di carica.
La ricerca del Dott. Dalle Carbonare ha contribuito a chiarire diversi aspetti delle dinamiche di separazione di carica in giunzioni ematite/elettrolita e a proporre successivamente modifiche interfacciali migliorative, effettuate mediante approcci chimici facilmente scalabili, che includono l’applicazione di originali catalizzatori di trasferimento di carica, l’introduzione di underlayer buffer sul contatto ohmico e la modifica post-sintetica dell’ematite con precursori di Ti(IV) in grado di incrementare l’estrazione di lacune. Il successo di questi approcci, che hanno generalmente comportato significativi miglioramenti rispetto alle proprietà di base del materiale, è dimostrato dalla pubblicazione di numerosi contributi su riviste internazionali di ambito chimico-fisico e di scienza dei materiali. Presi nell’insieme questi aspetti innovativi nel settore delle Scienze Chimiche rappresentano il merito per assegnare il Riconoscimento Copernico 2016 al Dott. Nicola Dalle Carbonare.

Abstract
Il 12 Dicembre 2015, a seguito della Conferenza di Parigi sui Cambiamenti Climatici, l’Unione Europea si è impegnata a ridurre del 40% le proprie emissioni di CO2 in atmosfera entro il 2030, per scongiurare un innalzamento della temperatura media terrestre oltre i 2° C, catastrofico per l’intero ecosistema terrestre. Dato che oltre il 90% di tali emissioni è originato dall’utilizzo di combustibili fossili (petrolio, gas naturale e carbone), l’obbiettivo proposto non può prescindere da una riduzione drastica dell’utilizzo di tali risorse, che, ad oggi, rappresentano tuttavia la nostra primaria fonte energetica. Per far fronte alla crescente domanda globale di energia, spinta dallo sviluppo economico e dal continuo incremento della popolazione mondiale, limitando allo stesso tempo l’emissione di gas serra, è necessario quindi concepire un nuovo modello economico e sociale basato sull’utilizzo di alternative fonti energetiche pulite e rinnovabili. Tra le varie a nostra disposizione (vento, acqua, geotermico), il sole rappresenta sicuramente la riserva energetica più ampia ed equamente distribuita sull’intera superficie terrestre, sufficiente per sostenere l’intera domanda energetica mondiale. La tecnologia fotovoltaica, ampiamente diffusa, permette di generare corrente elettrica a seguito dell’assorbimento della radiazione solare, che deve però essere utilizzata istantaneamente o immagazzinata in batterie o accumulatori. Un approccio
alternativo e potenzialmente più efficace è rappresentato dal solar water splitting che, ispirandosi al processo naturale della fotosintesi, impiega la radiazione solare per indurre la scissione
dell’acqua nei suoi componenti ottenendo così idrogeno molecolare, specie con un’altissima densità di energia per massa e la cui combustione genera, come unico prodotto di scarto, acqua.
Negli ultimi quattro decenni si è assistito ad una straordinaria accelerazione nella razionalizzazione delle proprietà chimico‐fisiche di materiali semiconduttori su cui si basano sistemi fotoelettrochimici
adibiti alla conversione della luce solare in energia chimica all’interno del legame tra due atomi di idrogeno, offrendo la possibilità aggiuntiva di immagazzinare e trasportare tale combustile. Sin dai primi esperimenti di fotolisi, gli ossidi metallici sono stati i protagonisti di tali dispostivi, grazie alla loro eccellente stabilità in soluzioni acquose e alla possibilità di ottenere facilmente morfologie nano‐strutturate che hanno garantito un notevole incremento in termini di assorbimento della radiazione luminosa e di capacità catalitiche nei confronti delle reazioni di riduzione ed ossidazione dell’acqua. La possibilità di produrre idrogeno a partire dall’ acqua senza la necessità di utilizzare alcuna fonte aggiuntiva di energia esterna rimane una delle sfide più ambiziose a cui la comunità scientifica deve rispondere, stimolata dal sogno di poter sviluppare una società che utilizzi idrogeno come fonte energetica primaria. Nel corso del suo Dottorato di Ricerca, lo studente ha studiato le dinamiche di trasferimento di carica di elettrodi di ossido ferrico modificati con strutture sia amorfe che cristalline a base di ferro utilizzando, per la caratterizzazione, principalmente tecniche elettrochimiche sia in corrente continua che alternata, affiancate da spettroscopie di superficie e laser per una completa descrizione delle proprietà catalitiche. L’ossido ferrico è un materiale notoriamente impiegato per la foto‐ossidazione dell’acqua, anche se le sua scarse capacità di condurre e trasferire carica richiedono l’applicazione di un potenziale esterno. Utilizzando materiali non nocivi ed economici e semplici procedure in soluzione per la preparazione dei campioni e per le successive modifiche, è stato possibile migliorare le prestazioni degli elettrodi sia in termini di foto‐correnti generate che di stabilità, razionalizzando al contempo aspetti meccanicistici coinvolti nei processi di trasferimento di carica responsabili dell’ossidazione dell’acqua. Nicola ha svolto la ricerca in maniera autonoma nel corso del suo Dottorato, acquisendo varie competenze data la molteplicità degli aspetti e delle tecniche utilizzate per la realizzazione del suo progetto. I risultati sono stati pubblicati in diverse riviste di settore e presentati in congressi sia nazionali che internazionali.