Dispositivo solare ad idrogeno da record: Trasformare la luce solare in energia pulita

Gli ingegneri dell'Università di Rice hanno sviluppato un dispositivo in grado di convertire la luce solare in idrogeno con un'efficienza senza precedenti. Il dispositivo, una cella fotoelettrochimica, incorpora semiconduttori di perovskite alogenuri di nuova generazione ed elettrocatalizzatori. Si pone come una potenziale piattaforma per reazioni chimiche che utilizzano energia solare per convertire le materie prime in carburanti. (Concept dell'artista.)

Nuovo standard per la tecnologia dell'idrogeno verde stabilito dagli ingegneri di Rice U.

Gli ingegneri dell'Università di Rice possono convertire la luce solare in idrogeno con un'efficienza record grazie a un dispositivo che combina semiconduttori di perovskite alogenuri di nuova generazione con elettrocatalizzatori in un singolo dispositivo resistente, economico e scalabile.

La nuova tecnologia rappresenta un passo significativo avanti per l'energia pulita e potrebbe fungere da piattaforma per una vasta gamma di reazioni chimiche che utilizzano elettricità raccolta dal sole per convertire le materie prime in carburanti.

Il laboratorio di Aditya Mohite, specializzato in ingegneria chimica e biomolecolare, ha guidato la costruzione di questo fotoreattore integrato. Un elemento chiave nella progettazione del dispositivo è una barriera anticorrosione che isola efficacemente il semiconduttore dall'acqua senza impedire il trasferimento degli elettroni. Come riportato in uno studio pubblicato in Nature Communications, il dispositivo vanta un'impressionante efficienza di conversione fotovoltaico-idrogeno del 20,8%.

Un fotoreattore sviluppato dal gruppo di ricerca di Rice University Mohite e dai collaboratori ha ottenuto un'efficienza di conversione fotovoltaico-idrogeno del 20,8%. Credito: Gustavo Raskosky/Rice University

Austin Fehr, uno studente di dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare e uno degli autori principali dello studio, ha sottolineato l'importanza di questo lavoro. "Utilizzare la luce solare come fonte di energia per produrre sostanze chimiche rappresenta uno dei principali ostacoli per un'economia energetica pulita. Il nostro obiettivo è costruire piattaforme economicamente fattibili che possano generare carburanti derivati dal sole. Qui, abbiamo progettato un sistema che assorbe la luce e completa la chimica di elettrolisi dell'acqua sulla sua superficie".

Il dispositivo è noto come cella fotoelettrochimica perché l'assorbimento della luce, la sua conversione in elettricità e l'utilizzo dell'elettricità per alimentare una reazione chimica avvengono tutti nello stesso dispositivo. Fino ad ora, l'utilizzo della tecnologia fotoelettrochimica per produrre idrogeno verde è stato ostacolato da ridotte efficienze e dall'alto costo dei semiconduttori.

Serie di quattro immagini fisse da un video campione che mostra come un fotoreattore dell'Università di Rice separa le molecole d'acqua e genera idrogeno quando stimolato dalla luce solare simulata. Credito: laboratorio Mohite/Rice University

Fehr ha spiegato la peculiarità della loro invenzione: "Tutti i dispositivi di questo tipo producono idrogeno verde utilizzando solo luce solare e acqua, ma il nostro è eccezionale perché ha un'efficienza record ed utilizza un semiconduttore molto economico".

Il laboratorio di Mohite e i suoi collaboratori hanno creato il dispositivo trasformando la loro altamente competitiva cellula solare in un reattore che poteva utilizzare l'energia raccolta per separare l'acqua in ossigeno e idrogeno. La sfida che dovevano affrontare era che le perovskite alogenuri sono estremamente instabili in acqua e i rivestimenti utilizzati per isolare i semiconduttori finivano per disturbare la loro funzione o danneggiarli.@media(min-width:0px){#div-gpt-ad-scitechdaily_com-box-4-0-asloaded{max-width:300px!important;max-height:250px!important}}if(typeof ez_ad_units!='undefined'){ez_ad_units.push([[300,250],'scitechdaily_com-box-4','ezslot_8',608,'0','0'])};__ez_fad_position('div-gpt-ad-scitechdaily_com-box-4-0');

Ayush Agrawal (da sinistra), Faiz Mandani e Austin Fehr. Credito: Gustavo Raskosky/Rice University

"Negli ultimi due anni ci siamo confrontati con diversi materiali e tecniche", ha detto Michael Wong, ingegnere chimico di Rice e coautore dello studio.

Dopo una serie di tentativi falliti nel raggiungere il risultato desiderato, i ricercatori hanno infine trovato una soluzione vincente.

"La nostra intuizione fondamentale è stata che era necessario avere due strati per la barriera, uno per bloccare l'acqua e uno per garantire un buon contatto elettrico tra gli strati di perovskite e lo strato protettivo", ha detto Fehr. "I nostri risultati rappresentano l'efficienza più alta per celle fotoelettrochimiche senza concentrazione solare e il miglior risultato complessivo per quelle che utilizzano semiconduttori di perovskite alogenuri.

Michael Wong è il Professor Tina e Sunit Patel in Nanotecnologia Molecolare di Rice University, preside e professore di ingegneria chimica e biomolecolare e professore di chimica, scienza dei materiali e nanotecnologia, nonché di ingegneria civile e ambientale. Credito: Michael Wong/Rice University

"È una novità per un settore che storicamente è stato dominato da semiconduttori proibitivamente costosi e potrebbe rappresentare un percorso verso la fattibilità commerciale per questo tipo di dispositivo per la prima volta", ha detto Fehr.

Aditya Mohite is an associate professor of chemical and biomolecular engineering and the faculty director of the Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability, or REINVENTS. Credit: Aditya Mohite/Rice University

The researchers showed their barrier design worked for different reactions and with different semiconductors, making it applicable across many systems.

“We hope that such systems will serve as a platform for driving a wide range of electrons to fuel-forming reactions using abundant feedstocks with only sunlight as the energy input,” Mohite said.

“With further improvements to stability and scale, this technology could open up the hydrogen economy and change the way humans make things from fossil fuel to solar fuel,” Fehr added.