Refractory plasmonic metasurfaces for solar thermal catalytic CO2 conversion

Come candidato interessante per la decarbonizzazione e la transizione verso le fonti di energia rinnovabili, l'energia solare è estremamente abbondante e ampiamente disponibile. Tra i possibili processi di conversione, l'energia solare concentrata (CSP) è molto promettente perché consente di immagazzinare l'energia in calore ad alta temperatura, che può poi essere convertito in elettricità. Mentre questa tecnologia è già disponibile in commercio, un'architettura simile è stata esplorata nella ricerca per produrre combustibili (come monossido di carbonio e metano) a partire da H2O e CO2 catturati dall'aria attraverso percorsi termochimici. Quest'ultimo, tuttavia, richiede regimi di concentrazione di luce estremi per consentire il verificarsi di tali processi chimici in assenza di un catalizzatore. Al contrario, recenti studi sul cosiddetto campo della chimica fototermica o catalisi fototermica hanno dimostrato la generazione di carburanti o sostanze chimiche in regimi di concentrazione moderata sfruttando catalizzatori in polvere, tra cui nanoparticelle plasmoniche. Queste ultime possono alterare in modo significativo i meccanismi di reazione e, di conseguenza, la selettività del prodotto grazie a effetti plasmonici non termici, che si verificano contemporaneamente a quelli puramente termici. Il nostro progetto mira a esplorare le metasuperfici plasmoniche, finora trascurate nel campo della catalisi fototermica. In particolare, il progetto mira a utilizzare il nitruro di titanio (TiN) come candidato ideale per costruire metasuperfici plasmoniche in grado di resistere alle tipiche condizioni operative (fino a 500 °C in presenza di atmosfera riducente). Tale materiale potrebbe infatti consentire ulteriori sviluppi verso pannelli solari termici poco costosi che lavorano a bassi fattori di concentrazione. In particolare, i tre obiettivi principali di questo progetto possono essere dettagliati come segue: - progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di metasuperfici in TiN refrattario con proprietà ottiche e fototermiche ingegnerizzate; - decorazione delle metasuperfici di TiN ottenute con catalizzatori metallici e bimetallici ed esplorazione di percorsi solari-termici innovativi per la riduzione della CO2 in fase gassosa; - indagine del meccanismo di reazione mediante tecniche spettroscopiche ex-situ e in-situ, in particolare per chiarire il contributo relativo degli effetti termici e non termici (elettronici). Ogni obiettivo sarà affrontato attraverso compiti interconnessi raggruppati in pacchetti di lavoro (WP), ognuno dei quali coinvolgerà l'esperienza nella sintesi, nella caratterizzazione e nella sperimentazione di nuovi materiali fotocatalizzatori delle tre RU e si baserà su precedenti risultati preliminari. Di conseguenza, i film di metasuperficie di nuova concezione possono fornire spunti fondamentali di interesse per altri campi della catalisi e della scienza dei materiali, e in generale per la comunità scientifica coinvolta nella conversione energetica sostenibile e nei processi chimici.

As an appealing candidate toward decarbonization and transition toward renewable energy sources, solar energy is extremely abundant and widely available. Among the possible conversion processes, concentrated solar power (CSP) holds great promises as it enables storing such energy in high-temperature heat, which later can be converted to electricity. While such technology is already available commercially, a similar architecture has been explored in research to produce fuels (such as carbon monoxide and methane) starting from H2O and CO2 captured by air by thermochemical pathways. The latter, however, requires extreme light concentration regimes to allow the occurrence of such chemical processes in the absence of a catalyst. On the contrary, recent studies on the so-called field of photothermal chemistry or photothermal catalysis have demonstrated the generation of fuels or chemicals under moderate concentration regimes by exploiting powdered catalysts including plasmonic nanoparticles. The latter can significantly alter the reaction mechanisms and, therefore, product selectivity by means of non-thermal plasmonic effects, which occur simultaneously with purely thermal ones. Our project aims at exploring plasmonic metasurfaces, which have been so far mostly neglected in the field of photothermal catalysis. In particular, the project aims at utilizing titanium nitride (TiN) as an ideal candidate to build plasmonic metasurfaces able to withstand typical operational conditions (up to 500 °C in the presence of reducing atmosphere). Such material may indeed enable further developments toward inexpensive solar-thermal panels working at low concentration factors. In particular, three main objectives of this project can be detailed as follows: - design, fabrication and characterization of refractory TiN metasurfaces with engineered optical and photothermal properties; - decoration of the obtained TiN metasurfaces with metallic and bi-metallic catalysts and exploration of innovative solar-thermal routes for CO2 reduction in the gas-phase; - investigation of the reaction mechanism by ex-situ and in-situ spectroscopic techniques, in particular elucidating the relative contribution of thermal and non-thermal (electronic) effects. Each objective will be tackled through interconnected tasks grouped into work packages (WPs), each of them involving the experience in synthesis, characterization and testing of new photocatalyst materials of the three RUs and relying on previous preliminary results. As a consequence, the newly designed metasurface films may give fundamental insights of interest to other fields of catalysis and materials science, and in general to the scientific community involved in sustainable energy conversion and chemical processes.