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Generazione di idrogeno a energia solare
Ricercatori in Svizzera hanno dimostrato celle solari a scissione dell'acqua più efficienti basate su un materiale economico, abbondante e di lunga durata: la ruggine. Il progresso potrebbe portare a un modo economico ed efficiente dal punto di vista energetico per generare idrogeno per i veicoli a celle a combustibile utilizzando l'energia solare.
I pannelli solari che dividono l'acqua avrebbero importanti vantaggi rispetto alle tecnologie esistenti in termini di produzione di idrogeno. In questo momento, il modo principale per produrre idrogeno è separarlo dal gas naturale, un processo che genera anidride carbonica e riduce la motivazione principale per passare ai veicoli a celle a combustibile a idrogeno: porre fine alla dipendenza dai combustibili fossili. L'alternativa attuale è l'elettrolisi, che utilizza l'elettricità per rompere l'acqua in idrogeno e ossigeno, con i due gas che si formano agli elettrodi opposti. Sebbene l'elettrolisi sia costosa, può essere più pulita se la fonte di elettricità è il vento, il sole o qualche altra fonte priva di carbonio.
Ma se la fonte dell'elettricità fosse il sole, sarebbe molto più efficiente utilizzare l'energia solare per produrre idrogeno mediante un processo fotochimico all'interno della cella stessa. Migliorando l'efficienza di tali pannelli solari, Michael Gratzel , professore di chimica all'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, in Svizzera, e i suoi colleghi hanno compiuto un passo importante verso questo obiettivo.
I ricercatori hanno dimostrato che includendo piccole quantità di silicio e cobalto, possono far crescere sottili film nanostrutturati di ossido di ferro che convertono la luce solare negli elettroni necessari per formare l'idrogeno dall'acqua. E i film di ossido di ferro lo fanno in modo più efficiente che mai con questo materiale.
L'ossido di ferro è stato a lungo un materiale attraente per tali pannelli solari, in parte perché regge bene il contatto con l'acqua. Ma sebbene possa assorbire la luce solare, i portatori di carica risultanti non potevano facilmente sfuggire al materiale, quindi si sono ricombinati, annullandosi a vicenda prima che potessero dividere l'acqua. Drogando la ruggine con il silicio, i ricercatori hanno persuaso il materiale a formare strutture simili a cavolfiori con un'area superficiale estremamente elevata, assicurando che gran parte degli atomi nel materiale fossero in contatto con l'acqua, o molto vicini ad essa. In questo modo, i fori potrebbero facilmente fuoriuscire nell'acqua, dove provocano la generazione di gas ossigeno. Il silicio migliora anche la conduttività degli elettroni nel materiale, che è importante per generare gas idrogeno su un elettrodo opposto. I ricercatori hanno ulteriormente migliorato il processo aggiungendo cobalto, che funge da catalizzatore per le reazioni.
I nuovi film di ossido di ferro di Grätzel possono convertire un impressionante e, secondo i ricercatori, il 42% senza precedenti dei fotoni ultravioletti della luce solare in elettroni e buchi. Ma l'efficienza complessiva del sistema è solo del 4% circa, in parte perché l'ossido di ferro non assorbe tutte le parti dello spettro solare.
Il principale risultato della nuova ricerca di Grätzel, che appare nell'attuale numero del Giornale della Società Chimica Americana , è che esamina le interazioni in atto nel sistema in modo molto dettagliato, afferma Brian Holcroft, CEO di Solare a idrogeno , un'azienda con sede a Guildford, nel Regno Unito, che sta sviluppando modi per produrre in serie pannelli ispirati ai materiali di Grätzel. I risultati suggeriscono diverse strategie che potrebbero aiutare il pannello a base di ossido di ferro a raggiungere il livello di efficienza del 10% che renderebbe la tecnologia competitiva con gli attuali modi di creare idrogeno, afferma Holcroft. (L'ossido di ferro potrebbe teoricamente essere efficiente fino al 20%.) Questi includono la regolazione della quantità e la disposizione di silicio e cobalto e il miglioramento della struttura dei film.
Se questo livello di efficienza può essere raggiunto, l'energia solare generatrice di idrogeno potrebbe mitigare alcune delle sfide che minacciano di rendere impraticabili i veicoli a celle a combustibile a idrogeno, afferma George Sverdrup, responsabile della tecnologia dell'idrogeno presso la Laboratorio Nazionale Energie Rinnovabili (NREL), a Golden, CO. Ad esempio, se i consumatori e le aziende utilizzassero questi pannelli per produrre idrogeno, invece di ottenere idrogeno da un grande impianto, ridurrebbe i costi di spedizione dell'idrogeno, rendendo l'idrogeno più accessibile. I pannelli solari-idrogeno sarebbero più efficienti delle piccole macchine per l'elettrolisi e garantirebbero che l'idrogeno provenga da una fonte rinnovabile.
Ma le sfide rimangono. I ricercatori di Hydrogen Solar, ad esempio, stanno cercando un sostituto per il costoso platino ora utilizzato in uno degli elettrodi della cella, che sarà importante per contenere i costi, soprattutto con l'aumento della domanda di platino in questa e in altre applicazioni, come il carburante cellule. Nel frattempo, Sverdrup afferma che altri ricercatori, compresi quelli del NREL, stanno lavorando con materiali molto più efficienti dell'ossido di ferro, ma finora sono durati solo poche ore. Se i ricercatori riescono a farli durare più a lungo, i materiali potrebbero sfidare l'ossido di ferro.