Un passo avanti verso i carburanti solari generati… dall’aria

Un dispositivo in grado di raccogliere l’acqua dall’aria e fornire combustibile a idrogeno, interamente alimentato dall’energia solare, è stato un sogno dei ricercatori per decenni.
Ora, l’ingegnere chimico Kevin Sivula e il suo team di lavoro presso il Politecnico Federale di Losanna hanno compiuto un passo significativo per avvicinare questa visione alla realtà.
Hanno sviluppato un sistema ingegnoso e semplice che combina la tecnologia basata sui semiconduttori con elettrodi innovativi che hanno due caratteristiche chiave.
Sono porosi, per massimizzare il contatto con l’acqua nell’aria, e trasparenti, per massimizzare l’esposizione alla luce solare del rivestimento dei semiconduttori.
Quando il dispositivo è semplicemente esposto alla luce del sole, prende l’acqua dall’aria e produce idrogeno gassoso. I risultati sono stati pubblicati il 4 gennaio 2023 sulla rivista “Advanced Materials”.

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Kevin Sivula: “Immagazzinare l’energia rinnovabile sotto forma di sostanze chimiche”

Cosa c’è di nuovo? I loro nuovi elettrodi di diffusione del gas, trasparenti, porosi e conduttivi, che consentono questa tecnologia a energia solare capace di trasformare l’acqua, allo stato gassoso nell’aria, in carburante a idrogeno.
“Per realizzare una società sostenibile, abbiamo bisogno di modi per immagazzinare l’energia rinnovabile sotto forma di sostanze chimiche che possono essere utilizzate come combustibili e materie prime nell’industria. L’energia solare è la forma più abbondante di energia rinnovabile e stiamo cercando di sviluppare modi economicamente competitivi per produrre combustibili solari”, spiega Kevin Sivula del Laboratorio di Ingegneria Molecolare dei Nanomateriali Optoelettronici dell’EPFL e ricercatore principale dello studio.

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Ispirazione dalla foglia di una pianta, in collaborazione con la Toyota Motor Europe

Nella loro ricerca sui carburanti rinnovabili privi di fossili, gli ingegneri del Politecnico Federale di Losanna, in collaborazione con la Toyota Motor Europe, si sono ispirati al modo in cui le piante sono in grado di convertire la luce solare in energia chimica, utilizzando l’anidride carbonica presente nell’aria.
Una pianta raccoglie essenzialmente anidride carbonica e acqua dall’ambiente circostante e, grazie all’energia supplementare della luce solare, può trasformare queste molecole in zuccheri e amidi, un processo che è già noto ai più come fotosintesi.
L’energia della luce solare viene immagazzinata sotto forma di legami chimici all’interno degli zuccheri e degli amidi.
Gli elettrodi trasparenti per la diffusione del gas sviluppati dal dottor Sivula e dal suo team, se rivestiti con un materiale semiconduttore per la cattura della luce, agiscono effettivamente come una foglia artificiale, raccogliendo l’acqua dall’aria e dalla luce solare per produrre idrogeno gassoso.
L’energia della luce solare viene immagazzinata sotto forma di legami di idrogeno.
Invece di costruire elettrodi con strati tradizionali che sono opachi alla luce solare, il loro substrato è in realtà una rete tridimensionale di fibre di vetro infeltrite.

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Marina Caretti: “Nuove procedure per elettrodi a diffusione di gas trasparenti”

Autrice principale del lavoro, Marina Caroline Michèle Caretti afferma: “Sviluppare il nostro prototipo di dispositivo è stato impegnativo, poiché gli elettrodi a diffusione di gas trasparenti non sono stati dimostrati scientificamente validi in precedenza, e abbiamo dovuto sviluppare nuove procedure per ogni fase. Tuttavia, poiché ogni fase è relativamente semplice e scalabile, penso che il nostro approccio aprirà nuovi orizzonti per un’ampia gamma di applicazioni, a partire dai substrati di diffusione del gas per la produzione di idrogeno a energia solare”.

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Dall’acqua all’umidità dell’aria? Ecco il progetto “Sun-to-X” dell’Unione Europea

Kevin Sivula e altri gruppi di ricerca hanno dimostrato in precedenza che è possibile eseguire la fotosintesi artificiale generando idrogeno combustibile da acqua liquida e luce solare utilizzando un dispositivo chiamato cella fotoelettrochimica (PEC).
Una cella PEC è generalmente conosciuta come un dispositivo che utilizza la luce incidente per stimolare un materiale fotosensibile, come un semiconduttore, immerso in una soluzione liquida per provocare una reazione chimica.
Tuttavia, per scopi pratici, questo processo presenta degli svantaggi, ad esempio è complicato realizzare dispositivi PEC di grandi dimensioni che utilizzano liquidi.
L’équipe del Politecnico Federale di Losanna ha voluto dimostrare che la tecnologia delle celle fotoelettrochimiche può essere adattata per raccogliere l’umidità dall’aria, portando allo sviluppo del nuovo elettrodo a diffusione di gas.
È già stato dimostrato che le celle PEC (ad esempio, le celle a combustibile) funzionano con i gas anziché con i liquidi, ma gli elettrodi a diffusione di gas utilizzati in precedenza sono opachi e incompatibili con la tecnologia fotoelettrochimica a energia solare.
Ora i ricercatori stanno concentrando i loro sforzi sull’ottimizzazione del sistema. Qual è la dimensione ideale della fibra? La dimensione ideale dei pori? I semiconduttori e i materiali di membrana ideali?
Queste sono le domande che si stanno ponendo nell’ambito del progetto dell’Unione Europea “Sun-to-X”, dedicato al progresso di questa tecnologia e allo sviluppo di nuovi modi per convertire l’idrogeno in combustibili liquidi.

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L’efficienza massima teorica di conversione è “solo” del 12 per cento, ma… promettente

Per realizzare elettrodi trasparenti a diffusione di gas, i ricercatori partono da un tipo di lana di vetro, che è essenzialmente costituita da fibre di quarzo (note anche come ossido di silicio), e la trasformano in wafer di feltro fondendo insieme le fibre ad alta temperatura.
Successivamente, il wafer è rivestito con una sottile pellicola trasparente di ossido di stagno drogato con fluoro, noto per la sua eccellente conduttività, robustezza e facilità di scalabilità.
Questi primi passaggi danno vita a un wafer trasparente, poroso e conduttore, essenziale per massimizzare il contatto con le molecole d’acqua presenti nell’aria e far passare i fotoni.
Il wafer è poi rivestito nuovamente, questa volta con un sottile film di materiali semiconduttori che assorbono la luce solare.
Questo secondo sottile rivestimento lascia ancora passare la luce, ma appare opaco a causa dell’ampia superficie del substrato poroso.
Così com’è, questo wafer rivestito può già produrre idrogeno combustibile una volta esposto alla luce solare.
Gli scienziati hanno poi costruito una piccola camera contenente il wafer rivestito e una membrana per separare l’idrogeno gassoso prodotto per la misurazione.
Quando la camera è stata esposta alla luce solare in condizioni di umidità, è stato prodotto idrogeno gassoso, raggiungendo l’obiettivo che gli scienziati si erano prefissati, dimostrando che il concetto di elettrodo trasparente a diffusione di gas per la produzione di idrogeno gassoso a energia solare può essere realizzato.
Sebbene gli scienziati non abbiano studiato formalmente l’efficienza di conversione solare-idrogeno nella loro dimostrazione, riconoscono che è modesta per questo prototipo e attualmente inferiore a quella ottenibile nelle celle PEC a liquido.
In base ai materiali utilizzati, l’efficienza massima teorica di conversione solare-idrogeno del wafer rivestito è del 12 per cento, mentre le celle a liquido hanno dimostrato un’efficienza fino al 19 per cento.

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