Un nuovo sistema fotocatalitico consente di immagazzinare energia solare e produrre idrogeno anche in assenza di luce, superando due limiti storici della filiera.
Come funziona il sistema per la produzione di idrogeno on demand al buio
E’ possibile immagazzinare energia solare e rilasciarla on demand sotto forma di idrogeno anche in assenza di luce. A dimostrarlo, un nuovo studio pubblicato sulla rivista scientifica Advanced Materials e realizzato da un team di ricercatori cinesi.
Il sistema funziona combinando nitruro di carbonio grafitico (g-C₃N₄) e ammonio metatungstato (W12) in una sospensione liquida, superando due ostacoli strutturali dell’idrogeno: la difficoltà di stoccaggio e l’intermittenza della fonte solare.
Nelle prime fasi, il sistema viene esposto alla luce. Il g-C₃N₄ agisce da assorbitore fotonico, generando elettroni che vengono trasferiti e immagazzinati all’interno del poliossometalato W12.
Questo processo è accompagnato da un cambiamento visibile del colore della soluzione, che passa da giallo pallido a blu, segnale dell’avvenuto accumulo di carica. L’energia resta così conservata fino al momento del rilascio, che avviene senza necessità di ulteriore irraggiamento.
Le prestazioni del sistema per l’idrogeno on demand
I dati sperimentali mostrano risultati quantitativi rilevanti. In condizioni di buio, il sistema raggiunge una velocità di evoluzione dell’idrogeno pari a 3.220 µmol g⁻¹ h⁻¹, mentre sotto irraggiamento solare naturale all’aperto la produzione si attesta su 954 µmol g⁻¹ h⁻¹. Entrambi i valori risultano elevati se confrontati con altri sistemi di fotocatalisi “dark-mode” descritti in letteratura.
Il rilascio dell’idrogeno avviene tramite l’introduzione di un catalizzatore Pt/C, che innesca la liberazione controllata degli elettroni immagazzinati nel W12. Il processo non richiede alimentazione elettrica esterna né strutture complesse, e sfrutta esclusivamente l’energia precedentemente accumulata durante la fase di illuminazione.
Questa architettura consente quindi di separare temporalmente la fase di cattura dell’energia solare da quella di produzione dell’idrogeno, rendendo il sistema operativo anche in assenza di luce.
L’accoppiamento g-C₃N₄–W12
L’efficienza del sistema deriva dall’allineamento energetico tra i due materiali. Il potenziale di riduzione del W12 – composto chimico a base di tungsteno che funziona come una “batteria chimica” – è compatibile con la struttura a bande del g-C₃N₄ (nitruro di carbonio grafitico), semiconduttore che assorbe la luce e genera elettroni, favorendo un trasferimento elettronico rapido e stabile. Inoltre, i due componenti presentano cariche superficiali opposte, che portano a un’auto-assemblaggio elettrostatico della sospensione.
Questo contatto diretto genera un campo elettrico interno, che accelera il flusso degli elettroni dal semiconduttore al poliossometalato e migliora sia la fase di accumulo sia quella di rilascio. Le analisi di superficie, le misure di potenziale e gli spettri EPR riportati nello studio confermano la presenza di elettroni stabilizzati all’interno del W12 dopo l’illuminazione.
Il risultato è un percorso ottimizzato di immagazzinamento e rilascio elettronico, elemento centrale per rendere affidabile la produzione di idrogeno on demand.
Quali problemi della filiera dell’idrogeno risolve?
Lo studio inquadra il sistema come risposta a due criticità strutturali della filiera dell’idrogeno. La prima è la pericolosità dello stoccaggio e del trasporto dell’idrogeno, legata alla necessità di serbatoi ad alta pressione. La seconda è la discontinuità della produzione solare, che limita l’operatività dei sistemi fotocatalitici tradizionali.
In questo caso, l’idrogeno non viene accumulato, ma prodotto solo quando necessario, riducendo i rischi associati alla compressione e alla movimentazione del gas. Allo stesso tempo, l’energia solare può essere raccolta in condizioni favorevoli e utilizzata successivamente, anche in ambienti privi di luce.
Secondo gli autori, il sistema dimostra una robusta operatività in condizioni reali e apre la strada a soluzioni scalabili per la produzione di idrogeno in aree soleggiate e il suo utilizzo differito in contesti energeticamente carenti.
Un cambio di paradigma
Il principio descritto richiama il funzionamento della fotosintesi naturale, che separa le reazioni luminose da quelle al buio. In questo caso, l’energia solare viene trasformata in una riserva chimica di elettroni, pronti a essere rilasciati su richiesta per la produzione di idrogeno.
Il sistema g-C₃N₄/W12 mostra che è possibile svincolare la produzione di idrogeno dalla presenza istantanea del sole, aprendo a nuove configurazioni impiantistiche e logistiche. La combinazione di semplicità chimica, assenza di input elettrici esterni e alte prestazioni colloca questa soluzione tra le più avanzate nel campo dell’idrogeno on demand.
