Scienze Chimiche

Dott. Federico Ronconi

Per la presentazione della tesi dal titolo
Preparation and Characterization of Photoelectroactive Substrates for Water Splitting and Hydrogen Production

Motivazione
L’attività di ricerca del Dott. Ronconi è stata orientata allo studio e all’ottimizzazione di sistemi molecolari applicati su elettrodi semiconduttori da utilizzare nell’ambito della fotosintesi artificiale, in particolare per la scissione foto-indotta dell’acqua allo scopo di ottenere facilmente idrogeno a basso costo.
Come è ormai ben noto, l’approvvigionamento energetico, evitando ingenti danni ambientali, rappresenta la più importante ed attuale sfida nel campo scientifico, tecnologico e sociale. Le risorse fossili continueranno a giocare ancora un grosso ruolo nell’immediato futuro, ma il loro costo è destinato a crescere, mentre la loro disponibilità a calare.
Analizzando il livello di maturazione tecnologica raggiunto finora dall’uomo, risulta evidente che l’utilizzo di combustibili puliti, ottenuti da fonti rinnovabili, sarà determinante per soddisfare la “sete” energetica mondiale. In questo scenario la fotosintesi artificiale, tramite la conversione dell’energia solare in carburanti, potrebbe costituire la soluzione a questo problema. Tra i “combustibili solari” l’idrogeno è il candidato ottimale, essendo ricavato dell’acqua che a sua volta ne è il prodotto di combustione, in un ciclo continuo sostenibile non inquinante.
Lo studio condotto dal Dott. Ronconi, nel campo della fotochimica, fotoelettrochimica e fotocatalisi, è perciò di elevato spessore scientifico ed ha portato all’ottenimento di interessanti risultati, alcuni dei quali già pubblicati su importati riviste internazionali.
Presi nell’insieme questi aspetti innovativi nel settore delle Scienze Chimiche rappresentano il merito per assegnare il Riconoscimento Copernico 2016 al Dott. Federico Ronconi.

Abstract
La tesi ha come oggetto lo studio e l’ottimizzazione di sistemi molecolari applicati su elettrodi semiconduttori da utilizzare nell’ambito della fotosintesi artificiale, in particolare per la scissione foto-indotta dell’acqua allo scopo di ottenere facilmente idrogeno a basso costo. Seguono una breve introduzione all’argomento, la descrizione del lavoro svolto e dei risultati ottenuti.

LA SITUAZIONE ENERGETICA ATTUALE E I COMBUSTIBILI SOLARI
L’approvvigionamento energetico, evitando ingenti danni ambientali, rappresenta un’importante tematica nel campo scientifico, tecnologico e sociale, a tutt’oggi molto dibattuta. Le risorse fossili continueranno a giocare ancora un grosso ruolo nell’immediato futuro, ma il loro costo è destinato a crescere, mentre la loro disponibilità a calare. Analizzando il livello di maturazione tecnologica raggiunto finora dall’uomo, ancora maggiormente improntato sull’utilizzo di carburanti sia nei mezzi di locomozione che per il riscaldamento, risulta evidente che l’utilizzo di combustibili puliti (a basso impatto ambientale) ottenuti da fonti rinnovabili sarà determinante per soddisfare la “sete” energetica mondiale. In questo scenario la fotosintesi artificiale, tramite la conversione dell’energia solare in carburanti, potrebbe costituire la soluzione a questo problema. Tra i “combustibili solari” l’idrogeno è il candidato ottimale, essendo ricavato dell’acqua che a sua volta ne è il prodotto di combustione, in un ciclo continuo sostenibile non inquinante. Attualmente il modo più semplice ed economico per ottenere la scissione foto-indotta dell’acqua prevede l’uso di dispositivi a base di elettrodi semiconduttori.
La funzionalizzazione di tali elettrodi con molecole opportune, aventi ciascuna il proprio ruolo (cromoforo – sistema a separazione di carica – catalizzatore), come nei sistemi supramolecolari naturali, rappresenta la via più versatile per vincere le limitazioni cinetiche e termodinamiche di tali dispositivi, e migliorarne così le prestazioni.

IL LAVORO DI RICERCA
Il lavoro svolto nel dottorato di ricerca ha riguardato lo studio e l’ottimizzazione di elettrodi semiconduttori funzionalizzati con sistemi molecolari cromoforo-catalizzatore. In questo tipo di configurazione, sotto irraggiamento solare simulato, entrambe le specie interagiscono tra loro sinergicamente, per attivare i processi di trasferimento elettronico necessari alla fotosintesi artificiale. Quello che si ottiene con questo tipo di elettrodi è l’ossidazione dell’acqua all’interno di una cella fotoelettrochimica, mentre l’idrogeno viene sviluppato al controelettrodo non illuminato.
Oltre al lavoro di sintesi compiuto per ottenere i sistemi oggetto di studio, alcuni dei quali in collaborazione con altre università, sono stati tentati diversi approcci per funzionalizzare le interfacce ibride, le quali sono poi state caratterizzate tramite esperimenti spettroscopici, elettrochimici e fotoelettrochimici. In particolare sono stati studiati:
1) Una nuova diade cromoforo-catalizzatore a base di rutenio per la sensibilizzazione di fotoanodi di biossido di titanio.
2) Il co-adsorbimento contemporaneo di indipendenti unità, cromoforica (perilene bis-immide) e catalizzatrice (nanoparticelle di biossido di iridio), non legate tra loro, per la sensibilizzazione di fotoanodi di triossido di tungsteno. Risultati interessanti sono stati raggiunti, nella stessa configurazione semiconduttore-cromoforo, anche con un catalizzatore molecolare anionico (poliossometallato di rutenio), ottenendo prestazioni comparabili a quelle riportate in letteratura da altri gruppi di ricerca, con identici o simili catalizzatori.
3) Le dinamiche di trasferimento di carica, su substrati di biossido di titanio e di biossido di stagno, da parte di un nuovo colorante polipiridinico fosfonato a base di rutenio, progettato e sintetizzato per foto-generare buche altamente ossidanti per la scissione dell’acqua.
4) L’uso della deposizione laser-pulsata (PLD) come valido metodo di sintesi di nano-strutture amorfe di ossido ferrico (abbondante ed atossico), da utilizzare come catalizzatore per la funzionalizzazione di substrati conduttivi altamente efficienti nell’ossidazione elettrochimica dell’acqua.
Data la varietà dei sistemi studiati e dei metodi di caratterizzazione utilizzati, il lavoro di tesi ha comportato l’acquisizione e l’implementazione da parte del Dott. Ronconi di un’ampia gamma di metodologie chimico-fisiche avanzate, che vanno dalla sintesi organica ed inorganica (ossidi semiconduttori e complessi metallorganici), alle metodologie spettroscopiche (di assorbimento ed emissione), elettrochimiche e fotoelettrochimiche, sia stazionarie che risolte nel tempo.