Nanocompositi di nitruro carbonioso grafitico–ossido di grafene ridotto (g-C3N4@r-GO) per la produzione fotocatalitica di idrogeno tramite scissione dell’acqua e supercondensatori elettrochimici ad alte prestazioni

Energia pulita dagli elementi di tutti i giorni

Il combustibile a idrogeno e lo stoccaggio di energia veloce e ricaricabile sono spesso presentati come due sfide tecnologiche separate. Questo studio mostra come entrambe possano essere affrontate contemporaneamente usando un unico materiale privo di metalli, composto da elementi abbondanti come carbonio e azoto. Mescolando con cura una polvere gialla assorbente di luce (nitruro carbonioso grafitico) con sottilissime lamine di carbonio (ossido di grafene ridotto), i ricercatori hanno creato un materiale “due in uno” che può sfruttare la luce solare per scindere l’acqua in idrogeno e fungere anche da supercondensatore ad alte prestazioni per immagazzinare energia elettrica.

Costruire una spugna più intelligente per luce e carica

Al centro del lavoro c’è un composito chiamato g‑C3N4@r‑GO, in cui il nitruro carbonioso grafitico (g‑C3N4) è combinato con lamine di ossido di grafene chimicamente ridotte per migliorare la conducibilità elettrica. Da soli, il g‑C3N4 assorbe la luce ma conduce male l’elettricità, mentre i materiali a base di grafene conducono bene ma non scindono l’acqua in modo efficiente. Accoppiando questi due componenti a contatto intimo, il team crea una sorta di giunzione elettronica p–n — un campo elettrico integrato che aiuta a separare le cariche positive e negative generate dall’irradiazione. Hanno testato due agenti riducenti delicati, la vitamina C (acido ascorbico) e l’idruro di sodio borohidruro, per modulare la conducibilità e il grado di connessione delle lamine di grafene.

Esplorare l’architettura su scala nanometrica

Per capire perché un composito sovraperformava gli altri, gli autori hanno utilizzato una batteria di strumenti strutturali e ottici. Immagini al microscopio elettronico hanno rivelato come le polveri siano composte da fiocchi impilati e particelle a forma di bastoncino; in una versione compaiono cavità superficiali che possono intrappolare e ricombinare le cariche invece di lasciarle svolgere lavoro utile. La diffrazione ai raggi X ha mostrato quanto siano ordinate le superfici atomiche, mentre la spettroscopia a infrarossi e ultravioletta‑visibile ha rivelato come i legami chimici e le caratteristiche di assorbimento della luce cambino quando il g‑C3N4 è accoppiato al grafene. Il miglior campione, preparato con acido ascorbico, presentava il più piccolo gap di banda efficace (la soglia energetica per assorbire la luce) e segni di forte interazione tra i due componenti, favorendo sia la raccolta della luce sia il flusso degli elettroni.

Trasformare luce e acqua in combustibile a idrogeno

Quando i compositi sono stati posti in acqua contenente una piccola quantità di metanolo e illuminati con una lampada al xenon, hanno prodotto idrogeno a velocità molto diverse. Il g‑C3N4 puro e l’ossido di grafene da soli hanno generato relativamente poco idrogeno. Al contrario, il materiale g‑C3N4@r‑GO ridotto con vitamina C ha prodotto 339,82 micromoli di idrogeno all’ora per grammo di catalizzatore, con un’efficienza quantica apparente del 2,52% a 420 nanometri. Ciò corrisponde a più di cinque volte l’idrogeno prodotto rispetto ad alcuni dei suoi omologhi nelle stesse condizioni. I test su più cicli hanno mostrato che il materiale ha mantenuto quasi il 90% della sua capacità produttiva dopo tre esperimenti, indicando buona stabilità e riciclabilità senza dipendere da metalli costosi o tossici.

Funzionare come un serbatoio di energia ad alta velocità

Lo stesso composito è stato anche pressato in elettrodi e immerso in una soluzione alcalina per testarne le prestazioni come supercondensatore — un dispositivo che immagazzina e rilascia carica molto rapidamente. Utilizzando misurazioni elettrochimiche standard, i ricercatori hanno rilevato che l’elettrodo g‑C3N4@r‑GO (acido ascorbico) raggiungeva una capacità specifica di circa 323 farad per grammo a bassi tassi di scansione, superando diversi materiali correlati riportati in letteratura. Anche dopo 5000 cicli di carica‑scarica a corrente relativamente alta, ha mantenuto quasi il 79% della capacità iniziale, dimostrando che la struttura può sopportare un uso ripetuto. Gli strati di grafene forniscono percorsi veloci per gli elettroni, mentre i siti ricchi di azoto nel nitruro carbonioso aiutano a immagazzinare carica attraverso reazioni reversibili con gli ioni nella soluzione.

Perché questo è importante per i sistemi energetici futuri

Per i non specialisti, il messaggio principale è che materiali a base di carbonio progettati con cura possono svolgere una doppia funzione in un futuro energetico pulito: possono contribuire a generare combustibile a idrogeno dall’acqua usando la luce solare e fungere anche da dispositivi di stoccaggio energetico robusti e a ricarica rapida. Evitando metalli preziosi o tossici e impiegando chimica delicata come la riduzione con vitamina C, lo studio indica percorsi più economici e sostenibili per la produzione di idrogeno su larga scala e per supercondensatori ad alta potenza. Pur richiedendo ulteriori approfondimenti su sicurezza, scala e integrazione in dispositivi reali, questi compositi g‑C3N4@r‑GO ci avvicinano a un toolkit pratico, privo di metalli, sia per produrre sia per immagazzinare energia rinnovabile.

Citazione: Nagar, O.P., Kameliya, M., Gurbani, N. et al. Graphitic carbon nitride–reduced graphene oxide (g-C₃N₄@r-GO) nanocomposites for photocatalytic hydrogen production by water splitting and high-performance electrochemical supercapacitors. Sci Rep 16, 5465 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35069-5

Parole chiave: produzione di idrogeno, scissione dell’acqua, composito a base di grafene, supercondensatore, energia solare