La scissione solare dell’acqua aumenta l’efficienza del 9% con la prospettiva di abbattere i costi per una produzione su larga scala.
L’idrogeno è una risorsa essenziale per raggiungere la neutralità carbonica essendo un combustibile autonomo, un componente di combustibili sostenibili realizzati con anidride carbonica riciclata ed un elemento in molti processi chimici, fra cui quelli per i fertilizzanti.
Attualmente, l’idrogeno è prodotto prevalentemente usando il metano con un dispendio considerevole di energia proveniente da fonti fossili.
Un’alternativa pulita è la solar water splitting (scissione solare dell’acqua) che replica la fotosintesi servendosi dell’energia del sole per separare le molecole d’idrogeno dall’acqua anche se, finora, bisogna tener conto di significativi limiti nel rendere questo processo efficiente.
La Facoltà d’Ingegneria dell’Università del Michigan ospita più di una dozzina di dipartimenti e programmi di alto livello. I docenti fanno la differenza indirizzando gli studenti e collaborando con varie istituzioni per progressi in diversi campi, fra cui informatica, energia e sostenibilità, materiali high-tech, salute e sicurezza nazionale.
Zetian Mi, professore d’Ingegneria elettrica ed Informatica, ha coordinato un importante studio che apre le porte all’ottimizzazione dello sfruttamento dell’idrogeno. Il ricercatore ritiene che i meccanismi per la fotosintesi artificiale possano un giorno superare in resa quelli naturali con la capacità di condurci verso la neutralità dal carbonio.
Il professor Mi ha spiegato come esistano dei passaggi chiave per bypassare l’intoppo provocato dalla scarsa efficienza, fra cui quello di utilizzare la luce infrarossa precedentemente sprecata.
Per centrare questo obiettivo i ricercatori hanno collocato una lente dalle dimensioni di una finestra per concentrare la luce solare sul catalizzatore semiconduttore immerso nell’acqua gorgogliante per via della separazione d’idrogeno ed ossigeno.
Il catalizzatore è in grado di raccogliere la luce infrarossa e riscaldare la camera a 70°C. Temperature elevate accelerano la scissione dell’acqua sopprimendo la ricombinazione d’idrogeno ed ossigeno, con conseguente maggiore generazione d’idrogeno.
Il catalizzatore è costituito da nanostrutture di nitruro di indio e gallio, sviluppatesi su una superficie di silicio.
Ciò è reso possibile da un semiconduttore dal design unico capace di sopportare le alte temperature senza degradarsi, con la proprietà autorigenerante che consente di resistere ad una luce equivalente a 160 soli.
La versione all’aperto dell’esperimento, con luce solare e temperatura meno controllabili, ha raggiunto un’efficienza del 6,1% che sale al 9,2% quando si è in un ambiente chiuso.
Il ricercatore in Ingegneria elettrica ed informatica, Peng Zhou, primo autore dello studio pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica Nature, è ottimista sul fatto che l’idrogeno prodotto dalla nuova tecnologia si riveli molto economico grazie alla riduzione delle dimensioni del semiconduttore, 100 volte inferiore rispetto ad altri funzionanti solo a bassa intensità luminosa.
Le prossime sfide che il team intende affrontare sono l’ulteriore miglioramento e l’ottenimento d’idrogeno ad alta purezza da immettere direttamente nelle celle a combustibile.
Parte della proprietà intellettuale relativa a questo lavoro è stata concessa in licenza a NS Nanotech e NX Fuels, entrambe co-fondate dal professor Mi.
Trovate il video con l’intervista al Professor Mi su YouTube.
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Immagini/Foto: Michigan Engineering / Brenda Ahearn per Università del Michigan
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