Produrre idrogeno pulito è difficile, ma i ricercatori hanno appena risolto un grosso ostacolo

Produrre idrogeno pulito è difficile, ma i ricercatori hanno appena risolto un grosso ostacolo


Su phys.org


Per decenni, i ricercatori di tutto il mondo hanno cercato il modo di usare l'energia solare per generare la reazione chiave per produrre idrogeno come fonte di energia pulita: scindere le molecole d'acqua per formare idrogeno e ossigeno. Tuttavia, tali sforzi sono per lo più falliti perché farlo bene era troppo costoso, e cercare di farlo a basso costo ha portato a scarse prestazioni.


Ora, i ricercatori dell'Università del Texas a Austin hanno trovato un modo a basso costo per risolvere una metà dell'equazione, utilizzando la luce del sole per scindere efficacemente le molecole di ossigeno dall'acqua. La scoperta, pubblicata recentemente su Nature Communications, rappresenta un passo avanti verso una maggiore adozione dell'idrogeno come parte fondamentale della nostra infrastruttura energetica.


Già negli anni '70, i ricercatori stavano studiando la possibilità di utilizzare l'energia solare per generare idrogeno. Ma l'incapacità di trovare materiali con la combinazione di proprietà necessarie per un dispositivo in grado di eseguire le reazioni chimiche chiave in modo efficiente ha impedito che diventasse un metodo mainstream.


"Hai bisogno di materiali che siano bravi ad assorbire la luce del sole e, allo stesso tempo, non si degradino mentre avvengono le reazioni di scissione dell'acqua", ha detto Edward Yu, un professore del dipartimento di ingegneria elettrica e informatica della Cockrell School. "Si scopre che i materiali che sono bravi ad assorbire la luce del sole tendono ad essere instabili nelle condizioni richieste per la reazione di scissione dell'acqua, mentre i materiali che sono stabili tendono ad essere poveri assorbitori di luce solare. Questi requisiti contrastanti ti spingono verso un compromesso apparentemente inevitabile, ma combinando più materiali - uno che assorbe efficacemente la luce solare, come il silicio, e un altro che fornisce una buona stabilità, come il biossido di silicio - in un unico dispositivo, questo conflitto può essere risolto".


Tuttavia, questo crea un'altra sfida: gli elettroni e i buchi creati dall'assorbimento della luce solare nel silicio devono essere in grado di muoversi facilmente attraverso lo strato di biossido di silicio. Questo di solito richiede che lo strato di biossido di silicio non sia più di pochi nanometri, il che riduce la sua efficacia nel proteggere l'assorbitore di silicio dalla degradazione.


La chiave di questa svolta è arrivata attraverso un metodo di creazione di percorsi elettricamente conduttivi attraverso uno spesso strato di biossido di silicio che può essere eseguito a basso costo e scalato per alti volumi di produzione. Per arrivarci, Yu e il suo team hanno utilizzato una tecnica impiegata per la prima volta nella produzione di chip elettronici a semiconduttore. Rivestendo lo strato di biossido di silicio con un film sottile di alluminio e poi riscaldando l'intera struttura, si formano delle matrici di "punte" di alluminio in nanoscala che fanno da ponte completo allo strato di biossido di silicio. Questi possono poi essere facilmente sostituiti da nichel o altri materiali che aiutano a catalizzare le reazioni di scissione dell'acqua.


Quando sono illuminati dalla luce del sole, i dispositivi possono ossidare in modo efficiente l'acqua per formare molecole di ossigeno, generando anche idrogeno in un elettrodo separato ed esibendo un'eccezionale stabilità in operazioni prolungate. Poiché le tecniche impiegate per creare questi dispositivi sono comunemente usate nella produzione di semiconduttori elettronici, dovrebbero essere facili da scalare per la produzione di massa.


Il team ha presentato una domanda di brevetto provvisorio per commercializzare la tecnologia.


Migliorare il modo in cui l'idrogeno è generato è la chiave per il suo emergere come una fonte di carburante praticabile. La maggior parte della produzione di idrogeno oggi avviene attraverso il riscaldamento di vapore e metano, ma questo si basa pesantemente sui combustibili fossili e produce emissioni di carbonio.


C'è una spinta verso l'"idrogeno verde" che utilizza metodi più ecologici per generare idrogeno. E semplificare la reazione di scissione dell'acqua è una parte fondamentale di questo sforzo.


L'idrogeno ha il potenziale per diventare un'importante risorsa rinnovabile con alcune qualità uniche. Ha già un ruolo importante in importanti processi industriali, e sta iniziando a comparire nell'industria automobilistica. Le batterie a celle a combustibile sembrano promettenti nel trasporto a lungo raggio, e la tecnologia dell'idrogeno potrebbe essere una manna per lo stoccaggio di energia, con la capacità di immagazzinare l'eccesso di energia eolica e solare prodotta quando le condizioni sono mature per loro.


In futuro, il team lavorerà per migliorare l'efficienza della parte di ossigeno della scissione dell'acqua aumentando il tasso di reazione. La prossima grande sfida dei ricercatori è quindi quella di passare all'altra metà dell'equazione.


"Siamo stati in grado di affrontare prima il lato dell'ossigeno della reazione, che è la parte più impegnativa", ha detto Yu, "ma è necessario eseguire entrambe le reazioni di evoluzione dell'idrogeno e dell'ossigeno per dividere completamente le molecole d'acqua, ecco perché il nostro prossimo passo è quello di applicare queste idee per realizzare dispositivi per la parte di idrogeno della reazione".

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