da Hardware Upgrade :
L’idrogeno verde è uno dei traguardi più importanti che la ricerca del settore sta cercando di raggiungere.
Al momento il primo elemento della tavola periodica ha un uso ancora limitato, principalmente è impiegato nell’industria chimica per la realizzazione di fertilizzanti, ma nel momento in cui fosse accessibile a prezzi contenuti e ottenuto tramite energia pulita, i suoi utilizzi potrebbero essere molto più numerosi.
Pochi giorni fa l’Università del Michigan ha pubblicato, su Nature, lo studio “Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting” condividendo con la comunità scientifica i progressi ottenuti nello sviluppo di un pannello solare in grado di usare la luce e il calore dell’irraggiamento solare per produrre idrogeno, senza passare dall’elettrolisi.
I ricercatori hanno preso ispirazione della fotosintesi, processo che permette alle piante di assorbire la CO2 presente nell’atmosfera, scindendola in carbonio e ossigeno.
Allo stesso modo, il pannello scinde le molecola di acqua (H2O) in idrogeno e ossigeno.
Il nuovo prototipo messo a punto dell’istituto universitario americano, è in grado di resistere ad alte temperature e alla luce di “160 soli” ed è 10 volte più efficiente dei precedenti catalizzatori ad energia solare.
Per ottenere questo risultato il team di ricerca, utilizzando parte degli studi di Nirala Singh, assistente professore presso il Dipartimento di ingegneria chimica della messaggistica unificata, del 2021, ha lavorato su due componenti chiave del pannello: il semiconduttore e il catalizzatore.
Il primo, la componente più costosa del dispositivo, oltre ad essere molto più piccolo e più resistente delle versioni precedenti, è in grado di autorigenerarsi.
In questo modo, secondo l’Università, il costo del prodotto finito, ovvero l’idrogeno, è molto più basso rispetto agli altri processi attualmente utilizzati.
“Abbiamo ridotto le dimensioni del semiconduttore di oltre 100 volte rispetto ad alcuni semiconduttori che funzionano solo a bassa intensità luminosa”, ha affermato Peng Zhou, ricercatore di U-M in ingegneria elettrica e informatica e primo autore dello studio. “In questo modo l’idrogeno prodotto dalla nostra tecnologia potrebbe essere molto più economico.”
Il secondo, il catalizzatore, è stato perfezionato in modo da poter sfruttare due fasce dello spettro solare contemporaneamente, ossia quella con la parte energetica più alta, per dividere l’acqua, e quella inferiore per ottenere il calore necessario alla reazione. Inoltre, è in grado di auto-migliorarsi man mano che viene utilizzato.
La nuova versione di questo componente è in grado sia gestire intensità luminose molto forti, sia di sopportare temperature estremamente elevate, che, oltre a velocizzare il processo di scissione dell’acqua, mantengono divisi idrogeno e ossigeno.
In questo modo il team ha raggiunto il 9% di efficienza col proprio prototipo.
Durante i test in ambiente esterno, Zhou ha installato una lente delle dimensioni di una finestra di casa per focalizzare la luce solare su una cella sperimentale di pochi centimetri di diametro.
Al suo interno, il catalizzatore semiconduttore era ricoperto da uno sottile strato d’acqua che ha iniziato a gorgogliare quando i gas (idrogeno e ossigeno) hanno cominciato a scindersi.
Il catalizzatore è composto da nanostrutture in nitruro di indio-gallio, depositate su una superficie di silicio. Questo wafer di semiconduttori cattura la luce e la converte in elettroni liberi e lacune – “buchi” carichi positivamente che rimangono quando gli elettroni vengono liberati dalla luce. Le nanostrutture sono costellate di sferette di metallo nanoscopiche, di 1/2000esimo di millimetro di diametro, che usano tali elettroni e lacune come supporto per dirigere la reazione.
Un semplice strato isolante in cima al pannello ne mantiene la temperatura a 75 gradi Celsius, abbastanza calda da favorire la reazione e abbastanza fredda da consentire al catalizzatore semiconduttore di funzionare bene.
La sperimentazione all’aperto, con luce solare e temperatura meno affidabili, ha raggiunto un’efficienza del 6,1% nel trasformare l’energia del sole in combustibile a idrogeno.
Al chiuso, in un ambiente controllato, il sistema ha raggiunto un’efficienza del 9%.
Le prossime sfide che il team intende affrontare sono l’ulteriore miglioramento dell’efficienza e l’ottenimento di idrogeno ad altissima purezza che possa essere immesso direttamente in celle a combustibile, creando una linea diretta fra produzione e utilizzo.