Un nuovo materiale a base di silicio usa luce solare o LED per rilasciare idrogeno, senza compressione né alte temperature.
Stoccaggio dell’idrogeno in vettori solidi
Lo stoccaggio dell’idrogeno, uno dei principali nodi irrisolti nello sviluppo di una filiera energetica basata sull’H₂, potrebbe trovare una nuova soluzione in un materiale semiconduttore capace di rilasciare idrogeno semplicemente grazie alla luce visibile.
Uno studio pubblicato sulla rivista scientifica Advanced Optical Materials dimostra che il layered hydrogen silicane, un solido a base di silicio e idrogeno, è in grado di immagazzinare idrogeno in forma stabile e di rilasciarlo a temperatura e pressione ambiente quando irradiato con luce solare o LED.
Il materiale raggiunge una capacità gravimetrica del 3,44% in peso e una efficienza quantica massima del 7,3% a 550 nm, mostrando come lo stoccaggio dell’idrogeno possa essere integrato con meccanismi di rilascio a basso consumo energetico, senza ricorrere a compressione, liquefazione o riscaldamento ad alte temperature.
Cos’è il layered hydrogen silicane?
Il materiale studiato si chiama layered hydrogen silicane (L-HSi) ed è composto da silicio e idrogeno in rapporto 1:1. Secondo quanto riportato nell’articolo scientifico “Visible-Light-Driven Hydrogen Release from Layered Hydrogen Silicane” di scienziati e accademici giapponesi, rappresenta un nuovo candidato per lo stoccaggio dell’idrogeno grazie alla combinazione di stabilità allo stato solido, densità di idrogeno relativamente elevata e possibilità di rilascio in condizioni ambientali.
Gli autori inquadrano il loro lavoro nel contesto dei limiti dei sistemi oggi disponibili. Le bombole di idrogeno compresso presentano densità ridotte e criticità di sicurezza, mentre l’idrogeno liquido richiede temperature criogeniche e un notevole dispendio energetico.
Anche i vettori liquidi, come l’ammoniaca o il metilcicloesano, necessitano di processi di deidrogenazione ad alta temperatura e presentano problemi di tossicità o corrosività. I materiali solidi, finora, sono stati penalizzati dall’uso di metalli pesanti e da capacità gravimetriche limitate.
Le proprietà strutturali del vettore L-HSi
Il layered hydrogen silicane viene sintetizzato attraverso un processo di decalcinazione del CaSi₂ in acido cloridrico a −20 °C, che consente di preservare la struttura stratificata del materiale di partenza. Il risultato è un solido costituito da fogli bidimensionali di silicio corrugato, nei quali ogni atomo di silicio è legato a un atomo di idrogeno orientato perpendicolarmente al piano del layer.
Le analisi strutturali e chimiche riportate nello studio mostrano che questa configurazione permette al materiale di raggiungere una capacità gravimetrica di idrogeno pari al 3,44% in peso, un valore elevato per un materiale solido leggero privo di metalli pesanti.
Le misure di desorbimento termico indicano inoltre un rapporto H/Si pari a 1,02, segno che quasi tutti gli atomi di silicio partecipano allo stoccaggio dell’idrogeno. Queste caratteristiche collocano L-HSi tra i materiali solidi per idrogeno più promettenti studiati finora, soprattutto se confrontati con le leghe metalliche tradizionali.
Stoccaggio dell’idrogeno a rilascio luminoso
Uno degli elementi centrali dello studio riguarda il meccanismo di rilascio dell’idrogeno. Il layered hydrogen silicane è un semiconduttore con un bandgap ottico di 2,13 eV, corrispondente a una lunghezza d’onda di circa 600 nm, quindi nella regione della luce visibile. Gli esperimenti dimostrano che l’idrogeno viene rilasciato solo quando il materiale è irradiato con lunghezze d’onda inferiori a questo valore.
Le prove condotte in assenza di luce mostrano che il rilascio termico dell’idrogeno inizia solo oltre 270 °C, mentre durante l’irraggiamento la temperatura superficiale del materiale non supera gli 80 °C. Questo dato consente di escludere un meccanismo fototermico.
La coincidenza tra lo spettro di assorbimento del materiale e lo spettro di azione del rilascio di idrogeno conferma invece che il processo è guidato dall’eccitazione elettronica del bandgap, un aspetto chiave per comprendere il funzionamento dello stoccaggio dell’idrogeno attivato dalla luce.
Efficiente anche a bassa intensità luminosa
I test effettuati in atmosfera inerte mostrano che il rilascio di idrogeno con luce visibile è efficace anche a basse intensità luminose. L’efficienza quantica interna raggiunge un valore massimo del 7,3% a 550 nm. Si tratta di un risultato significativamente superiore a quello osservato in precedenti materiali solidi sensibili esclusivamente alla radiazione ultravioletta.
Un dato particolarmente rilevante riguarda la dipendenza dall’intensità luminosa. Gli autori osservano che il rilascio di idrogeno avviene anche quando l’intensità della sorgente luminosa è pari ad appena il 3% di quella di una lampada allo xeno. Un livello comparabile a quello della luce solare o di un LED commerciale. L’efficienza rimane pressoché costante al variare dell’intensità. Questo indica che il processo non richiede sorgenti concentrate. E può essere alimentato da fonti luminose diffuse, un elemento cruciale per applicazioni pratiche nello stoccaggio solido dell’idrogeno.
Quanto idrogeno può essere rilasciato nel lungo periodo?
Per valutare la quantità massima di idrogeno rilasciabile, il gruppo di ricerca ha utilizzato un sistema disperso, con il materiale sospeso in acetonitrile e irradiato per oltre 200 ore. In queste condizioni, la luce riesce a raggiungere in modo più uniforme le particelle di L-HSi.
I risultati mostrano che viene rilasciato fino al 46,7% dell’idrogeno totale contenuto nel materiale. Il processo tende poi a rallentare perché la riduzione del numero di protoni disponibili rende progressivamente più difficile la loro ricombinazione in molecole di H₂. Inoltre, l’ossidazione superficiale che segue il rilascio contribuisce a limitare ulteriori cicli di deidrogenazione.
Gli esperimenti mostrano chiaramente che il rilascio si interrompe al buio, confermando che il processo è direttamente guidato dalla luce.
