Nuovo standard per la tecnologia dell’idrogeno verde stabilito dagli ingegneri della Rice University.
Gli ingegneri della Rice University possono rivolgersi luce solare in idrogeno con un'efficienza da primato grazie ad un dispositivo che unisce soluzioni di ultima generazione semiconduttori di perovskite ad alogenuri* con elettrocatalizzatori in un unico dispositivo durevole, conveniente e scalabile.
Secondo uno studio pubblicato su Nature Communications, il dispositivo ha raggiunto un’efficienza di conversione da solare a idrogeno del 20.8%.
La nuova tecnologia rappresenta un significativo passo avanti per l’energia pulita e potrebbe fungere da piattaforma per un’ampia gamma di reazioni chimiche che utilizzano l’elettricità raccolta dal sole per convertire materie prime in combustibili.
Il laboratorio di ingegnere chimico e biomolecolare Aditya Mohite ha costruito il fotoreattore integrato utilizzando una barriera anticorrosione che isola il semiconduttore dall'acqua senza impedire il trasferimento degli elettroni.
"L'utilizzo della luce solare come fonte di energia per produrre sostanze chimiche è uno dei maggiori ostacoli a un'economia basata sull'energia pulita", ha affermato Austin Fehr, dottorando in ingegneria chimica e biomolecolare e uno degli autori principali dello studio.
“Il nostro obiettivo è costruire piattaforme economicamente fattibili in grado di generare combustibili di derivazione solare. Qui abbiamo progettato un sistema che assorbe la luce e completa l'elettrochimica chimica della scissione dell’acqua sulla sua superficie."
Il dispositivo è noto come cella fotoelettrochimica perché l'assorbimento della luce, la sua conversione in elettricità e l'utilizzo dell'elettricità per alimentare una reazione chimica avvengono tutti nello stesso dispositivo. Fino ad ora, l’utilizzo della tecnologia fotoelettrochimica per produrre idrogeno verde era ostacolato dalla bassa efficienza e dall’alto costo dei semiconduttori.
“Tutti i dispositivi di questo tipo producono idrogeno verde utilizzando solo luce solare e acqua, ma il nostro è eccezionale perché ha un’efficienza da record e utilizza un semiconduttore molto economico”, ha affermato Fehr.
I Laboratorio Mohite e i suoi collaboratori hanno creato il dispositivo trasformando le loro cella solare altamente competitiva in un reattore che potrebbe utilizzare l'energia raccolta per dividere l'acqua in ossigeno e idrogeno.
La sfida che hanno dovuto superare era che le perovskiti* di alogenuri sono estremamente instabili in acqua e i rivestimenti utilizzati per isolare i semiconduttori finivano per interromperne la funzione o danneggiarli.
"Negli ultimi due anni, siamo andati avanti e indietro provando diversi materiali e tecniche", ha detto Michael Wang, un ingegnere chimico della Rice e coautore dello studio.
Dopo che lunghe prove non sono riuscite a produrre il risultato desiderato, i ricercatori hanno finalmente trovato una soluzione vincente.
"La nostra intuizione chiave era che fossero necessari due strati per la barriera, uno per bloccare l'acqua e uno per stabilire un buon contatto elettrico tra gli strati di perovskite e lo strato protettivo", ha detto Fehr.
“I nostri risultati sono la massima efficienza per le celle fotoelettrochimiche senza concentrazione solare e la migliore in assoluto per quelle che utilizzano semiconduttori di perovskite agli alogenuri.
"Si tratta di una novità assoluta per un campo storicamente dominato da semiconduttori dal costo proibitivo, e potrebbe rappresentare per la prima volta in assoluto un percorso verso la fattibilità commerciale di questo tipo di dispositivo", ha affermato Fehr.
I ricercatori hanno dimostrato che la progettazione della loro barriera funzionava per diverse reazioni e con diversi semiconduttori, rendendola applicabile a molti sistemi.
“Ci auguriamo che tali sistemi servano da piattaforma per guidare un’ampia gamma di elettroni verso reazioni di formazione di carburante utilizzando abbondanti materie prime con solo la luce solare come input di energia”, ha affermato Mohite.
“Con ulteriori miglioramenti in termini di stabilità e scala, questa tecnologia potrebbe aprire l’economia dell’idrogeno e cambiare il modo in cui gli esseri umani producono le cose, dal combustibile fossile al combustibile solare”, ha aggiunto Fehr.
perovskite – Questo minerale ha una conduttività maggiore del silicio ed è meno fragile. È anche molto più abbondante sulla Terra. Nell’ultimo decennio, sforzi considerevoli hanno portato a sviluppi spettacolari, ma la sua adozione nell’optoelettronica futura rimane una sfida.
Le celle fotovoltaiche in perovskite sono ancora instabili e subiscono un invecchiamento precoce. Inoltre contengono piombo, un materiale molto dannoso per l'ambiente e la salute umana. Per questi motivi i pannelli non possono essere commercializzati.
Perovskiti ibride alogenate sono una classe di materiali semiconduttori che sono stati al centro di particolare ricerca negli ultimi anni per le loro notevoli proprietà fotoelettriche e le loro applicazioni nei sistemi fotovoltaici.
