Fotosintesi artificiale per produrre idrogeno, migliora l’efficienza

Grazie ad un nuovo composto economico e sostenibile, gli ingegneri chimici dell'EPFL hanno sviluppato un nuovo approccio alla fotosintesi artificiale

Nuovi passi avanti per la fotosintesi artificiale

(Rinnovabili.it) – “La fotosintesi artificiale è il Santo Graal di tutti i chimici”. Così Astrid Olaya, ingegnere chimico dell’EPFL spiega perché questa tecnologia è divenuto uno dei “pallini” di ricerca dell’Istituto di scienze chimiche e ingegneria. La versione umana del più noto processo naturale ha da sempre un ambizioso obiettivo: replicare e migliorare quello che piante e organismi fotosintetici fanno da miliardi di anni. Ossia sfruttare direttamente l’energia solare per produrre elementi chimici utili, come ad esempio l’idrogeno. 

Gli studi in questo campo hanno portato alla progettazioni di diversi dispositivi prototipali a livello globale. Tuttavia l’efficienza complessiva ha sempre lasciato a desiderare. Oggi l’EPFL offre un nuovo approccio per aumentarne la resa, risolvendo alcuni degli ostacoli classici.

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I più comuni dispositivi di fotosintesi artificiale sono costituiti da un colorante che assorbe la luce chiamato antenna, accoppiato con un semiconduttore che separa le cariche elettriche. Completa il quadro un elettrocatalizzatore che guida la reazione di riduzione-ossidazione dell’acqua.

Nel complesso il processo è molto lento. “Il problema sta nella difficoltà di trovare materiali per elettrodi con un’elevata stabilità chimica, proprietà optoelettroniche adeguate e un’elevata efficienza catalitica”, afferma Olaya. Ecco perché la scienziata ha deciso di metter mano al design classico.

TTF, il segreto dell’efficienza è la semplicità

“In questo studio, abbiamo foto-ossidato l’acqua con una semplice molecola organica: il tetratiafulvalene (TTF)”, spiega Olaya. “È stato dimostrato che una versione salina del TTF può autoassemblarsi in microbarre che fungono da antenne per raccogliere la luce visibile e in pompe di elettroni per ossidare l’acqua in ossigeno”. Di solito si tratta di una reazione lenta e multifase, ma l’impilamento delle molecole di sale TTF può effettivamente velocizzare il processo “catturando” i quattro elettroni necessari per l’ossidazione di una molecola d’acqua e producendo i protoni necessari per la generazione di idrogeno.

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I ricercatori hanno anche utilizzato l’acqua in un’emulsione di olio. “L’antenna TTF può risiedere nella fase oleosa vicino alla fase acquosa, dove vengono estratti i protoni prodotti dall’ossidazione dell’acqua”, afferma Olaya. “Come nella fotosintesi naturale, il sistema bifasico consente un’efficiente separazione dei reagenti e dei prodotti“. Il tetratiafulvalene è composto solo da carbonio, zolfo e idrogeno garantendo pertanto una maggiore economia e sostenibilità rispetto ai metodi che impiegano metalli preziosi, come platino o iridio. Il lavoro è stato pubblicato dal Journal of American Chemical Society Gold (testo in inglese).

Grazie ad un nuovo processo sintetico è stato creato un elettrolita di solfuro solido dotato della più alta conduttività per gli ioni di sodio più alta mai registrata. Circa 10 volte superiore a quella richiesta per l'uso pratico

Batterie al Sodio allo Stato Solido più facili da Produrre

La batterie allo stato solido incarnano a tutti gli effetti il nuovo mega trend dell’accumulo elettrochimico. E mentre diverse aziende automobilistiche tentano di applicare questa tecnologia agli ioni di litio, c’è chi sta percorrendo strade parallele. É il caso di alcuni ingegneri dell’Università Metropolitana di Osaka, in Giappone. Qui i professori Osaka Atsushi Sakuda e Akitoshi Hayash hanno guidato un gruppo di ricerca nella realizzazione di batterie al sodio allo stato solido attraverso un innovativo processo di sintesi.

Batterie a Ioni Sodio, nuova Frontiera dell’Accumulo

Le batterie al sodio (conosciute erroneamente anche come batterie al sale) hanno conquistato negli ultimi anni parecchia attenzione da parte del mondo scientifico e industriale. L’abbondanza e la facilità di reperimento di questo metallo alcalino ne fanno un concorrente di primo livello dei confronti del litio. Inoltre l’impegno costante sul fronte delle prestazioni sta portando al superamento di alcuni svantaggi intrinseci, come la minore capacità. L’ultimo traguardo raggiunto in questo campo appartiene ad una ricerca cinese che ha realizzato un unità senza anodo con una densità di energia superiore ai 200 Wh/kg.

Integrare questa tecnologia con l’impiego di elettroliti solidi potrebbe teoricamente dare un’ulteriore boost alla densità energetica e migliorare i cicli di carica-scarica (nota dolente per le tradizionali batterie agli ioni di sodio). Quale elettrolita impiegare in questo caso? Quelli di solfuro rappresentano una scelta interessante grazie alla loro elevata conduttività ionica e lavorabilità. Peccato che la sintesi degli elettroliti solforati non sia così semplice e controllabile. Il che si traduce in un’elevata barriera per la produzione commerciale delle batterie al sodio allo stato solido.

Un Flusso di Polisolfuro reattivo

É qui che si inserisce il lavoro del team di Sakuda a Hayash. Gli ingegneri hanno messo a punto un processo sintetico che impiega sali fusi di polisolfuro reattivo per sviluppare elettroliti solidi solforati. Nel dettaglio utilizzando il flusso di polisolfuro Na₂S_x come reagente stechiometrico, i ricercatori hanno sintetizzato due elettroliti di solfuri di sodio dalle caratteristiche distintive, uno dotato della conduttività degli ioni di sodio più alta al mondo (circa 10 volte superiore a quella richiesta per l’uso pratico) e uno vetroso con elevata resistenza alla riduzione.

“Questo processo è utile per la produzione di quasi tutti i materiali solforati contenenti sodio, compresi elettroliti solidi e materiali attivi per elettrodi“, ha affermato il professor Sakuda. “Inoltre, rispetto ai metodi convenzionali, rende più semplice ottenere composti che mostrano prestazioni più elevate, quindi crediamo che diventerà una metodologia mainstream per il futuro sviluppo di materiali per batterie al sodio completamente allo stato solido“.  I risultati sono stati pubblicati su Energy Storage Materials and Inorganic Chemistry .

Un gruppo di scienziati della Lehigh University ha sviluppato un materiale dotato di una efficienza quantistica esterna di 90 punti percentuali sopra quella delle celle solari tradizionali

Nuovo materiale quantistico con un assorbimento solare medio dell’80%

Atomi di rame inseriti tra strati bidimensionali di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. Questa la ricetta messa a punto dai fisici Srihari Kastuar e Chinedu Ekuma nei laboratori della Lehigh University, negli Stati Uniti, per dare una svecchiata alla prestazioni delle celle solari. Il duo di ricercatori ha così creato un nuovo materiale quantistico dalle interessanti proprietà fotovoltaiche. Impiegato come strato attivo in una cella prototipo, infatti, il nuovo materiale ha mostrato un assorbimento solare medio dell’80%, un alto tasso di generazione di portatori fotoeccitati e un’efficienza quantistica esterna (EQE) record del 190%. Secondo gli scienziati il risultato raggiunto supera di gran lunga il limite teorico di efficienza di Shockley-Queisser per i materiali a base di silicio e spinge il campo dei materiali quantistici per il fotovoltaico a nuovi livelli. 

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L’efficienza quantistica esterna

Tocca fare una precisazione. L’efficienza quantistica esterna non va confusa con l’efficienza di conversione, il dato più celebre quando si parla di prestazioni solari. L’EQE rappresenta il rapporto tra il numero di elettroni che danno luogo a una corrente in un circuito esterno e il numero di fotoni incidenti ad una precisa lunghezza d’onda. 

Nelle celle solari tradizionali, l’EQE massimo è del 100%, tuttavia negli ultimi anni alcuni materiali e configurazioni avanzate hanno dimostrato la capacità di generare e raccogliere più di un elettrone da ogni fotone ad alta energia incidente, per un efficienza quantistica esterna superiore al 100%. Il risultato di Kastua e Ekuma, però, rappresenta un unicum nel settore.

Celle solari a banda intermedia

Per il loro lavoro due fisici sono partiti da un campo particolare della ricerca fotovoltaica. Parliamo delle celle solari a banda intermedia (IBSC – Intermediate Band Solar Cells), una tecnologia emergente che ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di energia pulita. In questi sistemi la radiazione solare può eccitare i portatori dalla banda di valenza a quella di conduzione, oltre che direttamente, anche in maniera graduale. Come?  “Passando” per l’appunto attraverso stati di una banda intermedia, livelli energetici specifici posizionati all’interno della struttura elettronica di un materiale creato ad hoc. “Ciò consente a un singolo fotone di provocare generazioni multiple di eccitoni attraverso un processo di assorbimento in due fasi“, scrivono i due ricercatori sulla rivista Science Advances.

Nel nuovo materiale quantistico creato dagli scienziati della Lehigh University questi stati hanno livelli di energia all’interno dei gap di sottobanda ideali. Una volta testato all’interno di una cella fotovoltaica prototipale il materiale ha mostrato di poter migliorare l’assorbimento e la generazione di portatori nella gamma dello spettro dal vicino infrarosso alla luce visibile. 

La rivoluzione dei materiali quantistici

Il duo ha sviluppato il nuovo materiale sfruttando i “gap di van der Waals”, spazi atomicamente piccoli tra materiali bidimensionali stratificati. Questi spazi possono confinare molecole o ioni e gli scienziati dei materiali li usano comunemente per inserire, o “intercalare”, altri elementi per ottimizzare le proprietà dei materiali. Per la precisione hanno inserito atomi di rame tra strati di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. “Rappresenta un candidato promettente per lo sviluppo di celle solari ad alta efficienza di prossima generazione – ha sottolineato Ekuma – che svolgeranno un ruolo cruciale nell’affrontare il fabbisogno energetico globale“.