I ricercatori sviluppano un’alternativa più ecologica ai combustibili fossili producendo idrogeno dall’acqua e dalla luce

17 febbraio 2023

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dall'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill

I ricercatori dell’Università della Carolina del Nord presso il Dipartimento di Chimica di Chapel Hill hanno progettato nanofili di silicio in grado di convertire la luce solare in elettricità dividendo l’acqua in ossigeno e gas idrogeno, un’alternativa più ecologica ai combustibili fossili.

Cinquant'anni fa, gli scienziati dimostrarono per la prima volta che l'acqua liquida può essere divisa in ossigeno e idrogeno gassoso utilizzando l'elettricità prodotta illuminando un elettrodo a semiconduttore. Sebbene l’idrogeno generato utilizzando l’energia solare sia una forma promettente di energia pulita, la bassa efficienza e i costi elevati hanno ostacolato l’introduzione di impianti commerciali a idrogeno alimentati da energia solare.

Un’analisi di fattibilità economica suggerisce che l’utilizzo di un impasto di elettrodi costituito da nanoparticelle invece di un design rigido di pannelli solari potrebbe ridurre sostanzialmente i costi, rendendo l’idrogeno prodotto dal sole competitivo con i combustibili fossili. Tuttavia, la maggior parte dei catalizzatori attivati ​​dalla luce basati su particelle, detti anche fotocatalizzatori, possono assorbire solo la radiazione ultravioletta, limitando la loro efficienza di conversione energetica sotto l’illuminazione solare.

James Cahoon, Ph.D., professore di chimica della Hyde Family Foundation presso il College of Arts and Sciences dell'UNC-Chapel Hill, e i suoi colleghi del dipartimento hanno lavorato sulla sintesi chimica di nanomateriali semiconduttori con proprietà fisiche uniche che possono consentire una gamma di tecnologie, dalle celle solari alle memorie a stato solido. Cahoon è l'autore corrispondente dei risultati pubblicati il ​​9 febbraio su Nature.

Cahoon e il suo team hanno progettato nuovi nanofili di silicio per avere più celle solari lungo il loro asse in modo da poter produrre l'energia necessaria per dividere l'acqua.

"Questo progetto non ha precedenti nei precedenti progetti di reattori e consente di utilizzare il silicio per la prima volta in un PSR", ha spiegato Taylor Teitsworth, un ricercatore associato post-dottorato nel laboratorio di Cahoon.

Il silicio assorbe sia la luce visibile che quella infrarossa. Storicamente è stata la scelta migliore per le celle solari, chiamate anche celle fotovoltaiche e semiconduttori, grazie a questa e ad altre proprietà, tra cui la sua abbondanza, la bassa tossicità e la stabilità. Con le sue proprietà elettroniche, l’unico modo per guidare la scissione dell’acqua in modalità wireless con particelle di silicio è codificare più celle fotovoltaiche in ciascuna particella. Ciò può essere ottenuto generando particelle che contengono più interfacce, chiamate giunzioni, tra due diverse forme di silicio: semiconduttori di tipo p e di tipo n.

In precedenza, la ricerca di Cahoon si era concentrata su una sintesi dal basso verso l'alto e una modulazione controllata spazialmente del silicone con boro per nanofili di tipo p e con fosforo per nanofili di tipo n per conferire geometrie e funzionalità desiderabili.

"Abbiamo utilizzato questo approccio per creare una nuova classe di nanoparticelle multigiunzione che dividono l'acqua. Queste combinano i vantaggi materiali ed economici del silicio con i vantaggi fotonici dei nanofili che hanno un diametro inferiore alla lunghezza d'onda della luce assorbita", ha affermato Cahoon. "Grazie all'asimmetria intrinseca delle giunzioni dei fili, siamo stati in grado di utilizzare un metodo elettrochimico guidato dalla luce per depositare selettivamente i co-catalizzatori sulle estremità dei fili per consentire la scissione dell'acqua."

Maggiori informazioni: Taylor S. Teitsworth et al, Divisione dell'acqua con superreticoli p-i-n di silicio sospesi in soluzione, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05549-5