La titania nanostrutturata (TiO₂) è ampiamente utilizzata in applicazioni fotocatalitiche, ma il suo ampio bandgap limita l'efficacia sotto luce solare. In questo studio, proponiamo una strategia di idrogenazione per estendere l'assorbimento del TiO₂ fino al vicino infrarosso, migliorandone significativamente l'attività fotocatalitica e aprendo nuove prospettive per applicazioni ambientali ed energetiche.

Il TiO₂ nanostrutturato è considerato uno dei materiali più promettenti per applicazioni fotocatalitiche, grazie alla sua elevata area superficiale specifica e all’ottima reattività della superficie. Tuttavia, il suo ampio bandgap energetico (circa 3,2 eV) limita l'assorbimento della luce principalmente alla regione dell'ultravioletto, riducendo l'efficienza complessiva sotto illuminazione solare.
In questo lavoro, presentiamo un approccio innovativo per superare questa limitazione, basato sull’idrogenazione controllata di sfere cave di TiO₂ nanostrutturato. Le sfere ottenute, denominate THS (Titania Hollow Spheres), sono composte da nanoparticelle gerarchicamente assemblate e mostrano un significativo ampliamento dello spettro di assorbimento, raggiungendo lunghezze d'onda fino a 1200 nm, ben all'interno della regione del vicino infrarosso.
La modifica strutturale e superficiale indotta dall'idrogenazione si traduce in un notevole miglioramento nella fotogenerazione e nella separazione delle cariche, incrementando così l'attività fotocatalitica. In particolare, applicando le THS idrogenate alla fotodegradazione della ciprofloxacina — un farmaco emergente di interesse ambientale — si osserva una degradazione dell'82% dopo 6 ore di esposizione a luce solare simulata.
Le analisi di spettroscopia fotoelettronica della banda di valenza hanno evidenziato la formazione di vacanze di ossigeno, la cui densità aumenta proporzionalmente con la velocità di idrogenazione. Tali difetti strutturali risultano essere strettamente correlati con il miglioramento dell'attività fotocatalitica, come confermato anche dai dati di risonanza paramagnetica elettronica (EPR), che rivelano la presenza di centri Ti³⁺ nei materiali idrogenati.
I risultati ottenuti non solo forniscono nuove evidenze sperimentali sul ruolo dei difetti di ossigeno nella fotocatalisi, ma aprono anche una nuova strada per la realizzazione di biossidi di titanio altamente efficienti, destinati a una vasta gamma di applicazioni tra cui la bonifica delle acque contaminate e la produzione sostenibile di combustibili solari.