Un sistema fotoelettrochimico scalabile per la produzione di idrogeno verde.

10 febbraio 2024

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di Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Se realizzata mediante energia solare o altre fonti rinnovabili, la scissione dell'acqua potrebbe essere un modo promettente per produrre in modo sostenibile idrogeno (H2) su grande scala. Fino ad ora, la maggior parte dei sistemi proposti per la scissione fotoelettrochimica dell'acqua si è rivelata inefficiente, instabile o difficile da implementare su larga scala.

Ricercatori dell'Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia di Ulsan (UNIST) si sono recentemente impegnati nello sviluppo di un sistema fotoelettrochimico (PEC) scalabile ed efficiente per produrre idrogeno verde. Il loro sistema proposto, descritto in Nature Energy, si basa su un innovativo fotoanodo a base di perovskite al triioduro di piombo formamidinio (FAPbI3), incapsulato da un elettrocatalizzatore in foglia di Ni/NiFeOOH.

"Il nostro gruppo ha studiato approfonditamente le sfide associate alla produzione pratica di idrogeno solare", ha detto Jae Sung Lee, professore di Energia e Ingegneria Chimica presso l'UNIST e coautore dell'articolo, a Tech Xplore. "Come riassunto nel nostro articolo di revisione più recente, è necessaria un'efficienza minima del 10% di conversione solare-idrogeno (STH) per sviluppare un sistema PEC pratico e valido, per il quale la scelta di un materiale efficiente è il primo criterio".

Fino ad oggi, la maggior parte dei tentativi di realizzare la produzione fotoelettrochimica di idrogeno ha impiegato ossidi metallici intrinsecamente stabili come materiali di fotoelettrodi per le celle PEC. Tuttavia, questi sistemi hanno reso efficienze molto inferiori a quelle necessarie per la loro applicazione pratica.

Alcuni ricercatori hanno quindi esplorato il potenziale di fotoelettrodi basati su materiali di grado fotovoltaico (PV), come silicio, perovskiti, calcogenuri e classi di materiali III-V. Sebbene questi materiali siano noti per le loro notevoli efficienze, possono essere costosi e instabili, soprattutto se posti in acqua, come accadrebbe se introdotti nelle celle di scissione dell'acqua PEC.

"A differenza degli altri materiali di grado PV, le perovskiti a metallo-ossaluro (MHP) hanno caratteristiche uniche di alta efficienza ma basso costo e potrebbero diventare un materiale fotoelettrodo alternativo se si affronta correttamente la questione della loro stabilità", ha detto Lee. "I materiali MHP hanno ottime proprietà optoelettroniche e una bandgap regolabile che sono desiderate per fornire la fotocorrente e la fototensione necessarie per dividere l'acqua e produrre ossigeno e idrogeno in una singola cella PEC".

Per ideare fotoelettrodi efficaci basati su MHP, i ricercatori hanno dovuto affrontare una sfida cruciale, ovvero quella di mantenere la loro stabilità in condizioni di umidità e sotto luce UV. Per raggiungere questo obiettivo, hanno cercato di stabilizzarli utilizzando tecniche di incapsulamento o protezione metallica e adottando la perovskite FAPbI3 resistente ai raggi UV.

"Un'altra sfida per le applicazioni pratiche è la scalabilità, o in altre parole, mantenere l'alta efficienza delle celle di laboratorio (che sono < 1 cm2) in implementazioni pratiche su larga scala (1 m2)", ha detto Lee. "Per il nostro studio, abbiamo selezionato il materiale MHP più avanzato in termini di efficienza e stabilità (FAPbI3) e l'abbiamo incapsulato con una spessa lastra di nichel (30 mm) depositata con un catalizzatore NiFeOOH per proteggere l'MHP dall'acqua e promuovere la reazione di evoluzione dell'ossigeno per la scissione dell'acqua".

I ricercatori hanno inizialmente creato una versione in scala ridotta del loro sistema proposto, basato su un fotoelettrodo di dimensioni inferiori a 1 cm2. Nei test iniziali, questo sistema di laboratorio ha raggiunto un'efficienza STH del 9,89% e una stabilità a lungo termine.

"Abbiamo quindi aumentato la scala di questo dispositivo ad area ridotta per ottenere un sistema PEC su larga scala pratico utilizzando un design a moduli", ha detto Lee. "Abbiamo fatto ciò selezionando un dispositivo di 7,68 cm2 come mini-modulo di base e lo abbiamo ripetuto orizzontalmente e verticalmente per fabbricare un dispositivo di grandi dimensioni".

Notevolmente, Lee e i suoi colleghi hanno scoperto che l'ingrandimento del loro sistema ha comportato solo una minima perdita di efficienza. Inoltre, il sistema su larga scala ha mantenuto la sua stabilità a lungo termine, suggerendo che il loro design sia altamente scalabile.

"Il nostro sistema completo PEC è composto da un fotoanodo di FAPbI3, che è un sottile film MHP protetto utilizzando una foglia di metallo di nichel come strato di incapsulamento e NiFeOOH come strato di catalizzatore", ha detto Lee.

'We optimized this photoanode using different metal foils and studied the in-depth catalyst-electrolyte interactions. This photoanode was connected in parallel to another MHP thin film as PV in a single reactor to generate enough voltage (~2 V) to split water molecules into O2 and H2 gases. In a large scale system, both components (photoanode and PV) are integrated in single PEC device to simplify the total system by a modular design.'

The researchers' mini-module is essentially made up of a photoelectrode and a PV unit cell, arranged in a 4 x 4 array. Their system integrates multiple components in a single PEC device to eliminate the need for additional PV components.

This unique design reduces their system's complexity and lowers its fabrication costs. Lee and his colleagues demonstrated that their system retains a good performance even when deployed in a larger scale, which could facilitate its future real-world deployment.

'The short-term demonstration of our scalable system will lead toward practical application of PEC technology for green hydrogen production in outdoor conditions,' Lee added. 'We also plan to further improve the efficiency and stability of the PEC system by integration of photoelectrodes and selecting more efficient and durable catalyst. We look [forward to] the opportunity to demonstrate a pilot scale solar hydrogen production system under natural sunlight using our technology.'

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