Dispositivi di fotosintesi rendono combustibile ad idrogeno più efficiente

Torri di nitruro di gallio del dispositivo di fotosintesi artificiale ingrandite 25.000 volte (credito: Faqrul A. Chowdhury, McGill University)

Un nuovo dispositivo di fotosintesi artificiale stabile raddoppia l’efficienza dello sfruttamento della luce solare per dividere l’acqua sia fresca che salata, generando idrogeno da utilizzare nelle celle a combustibile.
I ricercatori potrebbero anche riconfigurare il dispositivo per trasformare il diossido di carbonio in combustibile.

L’idrogeno è il combustibile più pulito, con l’acqua come unica emissione. Ma la produzione di idrogeno non è sempre rispettosa dell’ambiente. I metodi convenzionali richiedono gas naturale o energia elettrica. Il metodo avanzato dal nuovo dispositivo, chiamato separazione solare diretta dell’acqua, utilizza solo acqua e luce dal sole.

“Se possiamo immagazzinare direttamente l’energia solare come combustibile chimico, come quello che fa la natura con la fotosintesi, potremmo risolvere una sfida fondamentale delle energie rinnovabili”, afferma Zetian Mi, professore di ingegneria elettrica e informatica presso l’Università del Michigan che ha guidato la ricerca presso la McGill University.
Faqrul Alam Chowdhury, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica e informatica presso McGill, afferma che il problema con le celle solari è che non possono immagazzinare energia elettrica senza batterie, che hanno un costo complessivo elevato e una durata limitata.

Il dispositivo è realizzato con gli stessi materiali ampiamente utilizzati delle celle solari e di altri componenti elettronici, tra cui il silicio e il nitruro di gallio (spesso presenti nei LED). Con un design pronto per l’industria che funziona solo con la luce solare e l’acqua di mare, il dispositivo apre la strada a una produzione su larga scala di carburante a idrogeno pulito.
I precedenti separatori di acqua solare diretti hanno ottenuto un po’ più dell’1% di efficienza solare-idrogeno stabile in acqua dolce o salata. Altri approcci risentono dell’uso di materiali costosi, inefficienti o instabili, come il biossido di titanio, che potrebbe anche comportare l’aggiunta di soluzioni altamente acide per raggiungere maggiori efficienze.

Mi e il suo team, tuttavia, hanno ottenuto più del 3% di efficienza solare-idrogeno. Per raggiungere questa efficienza stabile, il team ha costruito una struttura di dimensioni nanometriche di torri di nitruro di gallio che generava un campo elettrico. Il nitruro di gallio trasformava la luce, o fotoni, in elettroni mobili e posti vacanti caricati positivamente chiamati buchi. Queste cariche libere dividevano poi le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno.
“Quando questo wafer appositamente progettato viene colpito dai fotoni, il campo elettrico aiuta a separare elettroni e buchi fotogenerati per guidare la produzione di molecole di idrogeno e ossigeno in modo efficiente”, afferma Chowdhury.

Al momento, il supporto in silicio del chip non contribuisce alla sua funzione, ma potrebbe fare di più. Il prossimo passo potrebbe essere quello di utilizzare il silicio per aiutare a catturare i portatori di carica alle torri di nitruro di gallio.
“Sebbene l’efficienza del 3% possa sembrare bassa, se inserita nel contesto dei 40 anni di ricerca su questo processo, è in realtà un grande passo avanti”, afferma Mi. “La fotosintesi naturale, a seconda di come la si calcola, ha un’efficienza di circa 0,6 per cento.”

Aggiunge che il 5% di efficienza è la soglia per la commercializzazione, ma il suo team punta all’efficienza del 20 o 30 percento.
Mi conduce ricerche simili per eliminare il biossido di carbonio del suo ossigeno per trasformare il carbonio risultante in idrocarburi, come il metanolo e il syngas. Questo percorso di ricerca potrebbe potenzialmente rimuovere l’anidride carbonica dall’atmosfera, come fanno le piante.
“Questa è la parte veramente eccitante”, dice Mi.

I ricercatori descrivono il dispositivo in Nature Communications. Ulteriori coautori provengono dal Center of Excellence in Transportation Electrification and Energy, l’Hydro-Québec e la McGill University. Il Fuel Cell Technologies Office del Dipartimento degli Stati Uniti ed Emissions Reduction Alberta hanno sostenuto il lavoro.

Il testo di questo articolo è stato tradotto in italiano dal testo pubblicato qui sotto licenza Creative Commons — Attribution 4.0 International — CC BY 4.0 ed è dunque disponibile secondo la stessa licenza.

Fonti e approfondimenti



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