Creato un nuovo sistema di fotosintesi artificiale per la conversione diretta da energia solare a idrogeno che soddisfa contemporaneamente requisiti di elevata efficienza, stabilità a lungo termine e scalabilità
Da sole a idrogeno con un’efficienza dell’11,2%
La produzione fotoelettrochimica di idrogeno è stata per lungo tempo poco più che un sogno ad occhi aperti. Non perché fosse tecnicamente impossibile convertire acqua e sole direttamente in H2 gassoso, quanto perché il processo si è sempre dimostrato poco efficiente e scalabile.
Ora un gruppo di ingegneri chimici dell’Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), in Corea del Sud, è riuscito a imprimere una svolta alle ricerche di settore. Il team ha creato un sistema di fotosintesi artificiale in grado di generare idrogeno solare con un’efficienza di conversione dell’11,2%. Raggiungendo inoltre un’elevata stabilità operativa.
“Questo risultato va oltre le dimostrazioni su scala di laboratorio, raggiungendo un’efficienza a livello di modulo superiore al 10%, un traguardo fondamentale per l’applicazione nel mondo reale”, ha spiegato il professor Jae Sung Lee, alla guida del gruppo
Produzione fotoelettrichimica di idrogeno, le tecnologie
Produrre idrogeno direttamente dal sole richiede dispositivi particolari in grado di usare l’energia solare per scindere le molecole di acqua. Le due tecniche più diffuse sono quella fotovoltaica-elettrochimica e quella fotoelettrochimica.
Nel primo caso i sistemi sono costituiti da celle fotovoltaiche e celle elettrochimiche separate, richiedendo molto spazio e un’elevata spesa iniziale.
I sistemi fotoelettrochimici integrano, invece, questi due componenti in un unico dispositivo, offrendo un risultato più compatto. Allo stesso tempo però richiedono cablaggi esterni che aumentano la resistività e riducono l’efficienza complessiva del processo.
Tuttavia questo ultimo segmento offre anche un’alternativa, caratterizzata da una struttura più semplice e integrata: la foglia artificiale. Di cosa si tratta? Di dispositivi che imitano la fotosintesi naturale, integrando al loro interno semiconduttori fotoassorbenti e celle elettrochimiche.
Produzione di idrogeno solare, i problemi della fotosintesi artificiale
Ottime sulla carta, meno nella realtà, le Artificial Leaf fanno fatica ad uscire dai laboratori. La sfida più significativa per questi sistemi di fotosintesi artificiale è offrire un’elevata efficienza di conversione, dimostrando al tempo stesso di poter durare nel tempo e di essere scalati in un dispositivo di dimensioni commerciali. Malgrado una ricerca durata oltre un decennio, fino a ieri non esisteva alcuna foglia artificiale capace di soddisfare tutti e tre i requisiti sopra indicati.
La scelta è sempre stata tra semiconduttori stabili ma poco efficienti e semiconduttori efficienti ma destinati ad una rapida degradazione. Con tutta la difficoltà di creare con tali materiali fotoelettrodi di ampia area, adatti a dispositivi su grande scala.
La foglia artificiale in perovskite della UNIST
Lo studio dell’UNIST ha trovato un modo per prendere “tre piccioni” con una fava. Il gruppo ha sviluppato nuovi fotoelettrodi da 1 cm² utilizzando come fotoassorbitore il triioduro di piombo formamidinio (FAPbI₃) – una perovskite – drogato con cloro, e ossido di stagno resistente agli UV come strato di trasporto delle cariche. I fotoelettrodi sono stati, quindi, incapsulati utilizzando lamine di nichel e resina depositate tramite elettrocatalizzatore.
Gli scienziati hanno assemblato queste unità in una foglia artificiale dalle dimensioni di un mini-modulo (8 fotoanodi e 8 fotocatodi per una superficie di 16 cm2 ), creando un sistema scalabile per la produzione fotoelettrochimica di idrogeno.
Il risultato? L’intero modulo ha raggiunto un’efficienza di conversione da solare a idrogeno dell’11,2%, superando la soglia del 10% considerata il punto di riferimento per la fattibilità commerciale. Non solo. Il dispositivo ha funzionato ininterrottamente per 140 ore mantenendo il 99% delle sue prestazioni iniziali.
Lo studio Scalable and durable module-sized artificial leaf with a solar-to-hydrogen efficiency over 10% è stato pubblicato su Nature Communications.
