Foglia Artificiale da Record: Idrogeno Solare con Efficienza Stellare e Lunga Durata!

Amici appassionati di scienza e di un futuro più verde, tenetevi forte perché oggi vi racconto una storia che ha dell’incredibile, una di quelle scoperte che potrebbero davvero cambiare le carte in tavola nel mondo dell’energia pulita. Immaginate di poter prendere una foglia, non una qualsiasi, ma una super-foglia artificiale, e usarla per produrre idrogeno pulito direttamente dal sole con un’efficienza pazzesca. Sembra fantascienza? Beh, preparatevi, perché è esattamente quello che un team di scienziati è riuscito a fare, e i risultati sono a dir poco entusiasmanti!

Da tempo sogniamo una tecnologia che imiti la fotosintesi naturale, quel processo meraviglioso che le piante usano per convertire la luce solare in energia. La “foglia artificiale” è proprio questo: un dispositivo che, ispirandosi alla natura, punta a produrre combustibili solari, in particolare idrogeno, considerato da molti il vettore energetico del futuro. Il bello è che, a differenza di altri sistemi più ingombranti e costosi, la foglia artificiale è compatta, integrata e non ha bisogno di tutti quei fili esterni che complicano le cose e aumentano le perdite di efficienza, specialmente quando si cerca di ingrandire il sistema.

La Sfida: Efficienza, Durata e Scalabilità

Per portare questa tecnologia dal laboratorio al mondo reale, ci sono tre paletti fondamentali da superare, tre vere e proprie montagne da scalare:

• Efficienza di conversione solare-idrogeno (STH): deve essere superiore al 10%, una soglia considerata critica per la fattibilità economica.
• Durabilità a lungo termine: il dispositivo deve funzionare per ore, giorni, idealmente anni, senza degradarsi.
• Scalabilità: deve essere possibile produrre dispositivi di dimensioni pratiche, non solo campioni da laboratorio di pochi millimetri quadrati.

E qui casca l’asino, o meglio, cascava! Perché finora, nessuno era riuscito a centrare tutti e tre gli obiettivi contemporaneamente. I materiali super efficienti spesso non duravano, quelli duraturi non erano abbastanza efficienti, e ingrandire il tutto mantenendo le prestazioni era un vero rompicapo. Pensate che i semiconduttori a base di ossidi metallici (come TiO2, Fe2O3) sono robusti ma poco performanti, mentre quelli di grado fotovoltaico (silicio, perovskiti) sono campioni di efficienza ma tendono a essere più delicati, soprattutto in acqua e sotto la luce solare.

La Svolta: Materiali Innovativi e Design Intelligente

Ma ecco la novità che mi ha fatto saltare sulla sedia! I ricercatori hanno sviluppato dei fotoelettrodi a base di perovskite da 1 cm² che sono una vera bomba. Hanno usato una formaamidinio triioduro di piombo drogata con cloro (Cl:FAPbI3), un materiale fotoassorbitore quasi privo di difetti, e ossido di stagno, anch’esso drogato con cloro (Cl:SnO2), come strato di trasporto degli elettroni. Quest’ultimo è geniale perché è insensibile ai raggi UV, un problema che affliggeva il più comune TiO2, degradando la perovskite sottostante.

Il dispositivo è stato poi incapsulato utilizzando fogli di nichel su cui erano depositati degli elettrocatalizzatori, dimostrando un’elevata densità di fotocorrente e una stabilità impressionante per 140 ore! Avete capito bene, 140 ore mantenendo il 99% delle prestazioni iniziali. E la cosa ancora più bella è che la perovskite (FAPbI3) non si è degradata e non c’è stata perdita di piombo, un aspetto cruciale per la sicurezza ambientale.

La chiave del successo sta nella sinergia tra il Cl:SnO2 e il Cl:FAPbI3, che migliora sia la stabilità di fase che l’efficienza passivando i siti difettosi all’interfaccia. Inoltre, l’uso di cloruro di acetilcolina (ACCl) come stabilizzante per la fase alfa della FAPbI3 ha contribuito a migliorare la stabilità a lungo termine. L’incapsulamento con fogli di nichel e l’uso di particelle di polimetilmetacrilato (PMMA) rivestite d’argento per il contatto elettrico hanno fatto il resto, proteggendo il delicato film di perovskite dalla permeazione dell’acqua.

Per la reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER), hanno impiegato un ossidrossido di nichel-ferro-cobalto (NiFeCo) come catalizzatore, mentre per l’evoluzione dell’idrogeno (HER) sul fotocatodo, hanno utilizzato un catalizzatore a base di Co9S8–MoS2 con una quantità minima di platino (~0.1% in peso). E nonostante il poco platino, l’efficienza è rimasta sopra il 10%!

Dal Singolo Elettrodo al Mini-Modulo: La Scalabilità è Realtà!

Ma la vera ciliegina sulla torta è la scalabilità. I ricercatori non si sono fermati al singolo fotoelettrodo da 1 cm². Hanno creato un mini-modulo di foglia artificiale scalabile di 16 cm²! Come? Hanno assemblato un array 4×4 di questi fotoelettrodi da 1 cm², con una configurazione affiancata/parallela di fotoanodi e fotocatodi. E il risultato? Questo mini-modulo ha mantenuto una straordinaria efficienza solare-idrogeno a “livello di modulo” dell’11.2% in condizioni di scissione dell’acqua non assistita (cioè senza alimentazione esterna) sotto illuminazione solare standard (1-sun).

Questo è un passo da gigante! Dimostrare che si può aumentare l’area di oltre 10 volte con una perdita di efficienza minima (inferiore al 10% in questo caso) è fondamentale per la commercializzazione. E dato che il design è modulare, si apre la strada a dispositivi ancora più grandi, potenzialmente delle dimensioni dei pannelli solari commerciali, mantenendo prestazioni simili.

Stabilità a Prova di Bomba

Abbiamo parlato di efficienza e scalabilità, ma la durabilità? Qui i nostri eroi hanno fatto un lavoro egregio. Hanno condotto test di stabilità chimica, fotocorrosione e fotostabilità. In tutti e tre, il fotoanodo con Cl:SnO2 (NiFeCo/Ni/Cl:FAPbI3(Cl:SnO2)) ha surclassato quello con TiO2. L’incapsulamento con fogli di nichel ha protetto dalla permeazione dell’acqua. La scelta del Cl:SnO2 ha evitato la fotocorrosione dovuta all’accumulo di “lacune” (portatori di carica positiva) e ha garantito una stabilità superiore sotto luce UV.

Per i test di durabilità a lungo termine (le famose 140 ore), hanno utilizzato un reattore PEC di tipo “O-ring”. Questo design intelligente espone solo l’elettrocatalizzatore all’elettrolita, mentre la perovskite e la resina epossidica usata per sigillare sono protette dal contatto diretto. Geniale, no? Dopo 140 ore, il fotoanodo con Cl:SnO2 conservava il 99% delle sue prestazioni, mentre quello con TiO2 era sceso al 60%. Questo dimostra in modo inequivocabile i vantaggi del Cl:SnO2.

Le analisi post-test hanno confermato che il catalizzatore NiFeCo è rimasto morfologicamente stabile e non c’è stata una significativa lisciviazione dei metalli del catalizzatore o del piombo dalla perovskite. Un risultato che fa ben sperare per applicazioni pratiche e sicure.

Il Fotocatodo e l’Assemblaggio del Sistema Completo

Per completare la foglia artificiale, serve anche un fotocatodo efficiente. Questo è stato fabbricato in modo simile al fotoanodo, ma utilizzando come catalizzatore per la reazione di evoluzione dell’idrogeno (HER) il Co9S8–MoS2 drogato con una piccolissima quantità di platino (CoSMoS–Pt). Anche qui, le prestazioni sono state eccellenti, con un’alta fotocorrente e un potenziale di attivazione positivo, ideale per la scissione dell’acqua.

Prima di costruire la foglia artificiale “wireless” (senza fili esterni), i ricercatori hanno testato la fattibilità collegando un fotoanodo e un fotocatodo da 1 cm² in serie con fili esterni. Questa configurazione “wired” ha raggiunto un’efficienza STH massima del 12.67% in un setup a 3 elettrodi e del 12.17% in un setup a 2 elettrodi per oltre 14 ore di funzionamento continuo, producendo idrogeno e ossigeno nel rapporto stechiometrico corretto (2:1).

Per passare al mini-modulo da 16 cm², hanno strategicamente aumentato le dimensioni dei fotoanodi e fotocatodi, utilizzando un design a griglia metallica e un array di sottocelle da 1 cm². Le connessioni in parallelo sono state usate per ingrandire i singoli fotoanodi e fotocatodi, mentre le connessioni in serie tra anodo e catodo hanno garantito il fotovoltaggio necessario per la reazione non assistita.

Sfide Future e Prospettive

Certo, come in ogni grande avanzamento scientifico, rimangono delle sfide. Ad esempio, bisogna ottimizzare il trasporto dei protoni tra anodo e catodo e trovare modi efficienti per separare l’idrogeno e l’ossigeno prodotti, visto che in questa configurazione “side-by-side” si formano sullo stesso lato. Soluzioni potrebbero venire da strutture tandem o design che integrano membrane per la separazione dei gas.

Nonostante questo, il lavoro svolto è monumentale. Aver dimostrato una foglia artificiale di dimensioni pratiche, con un’efficienza superiore al 10%, un’eccellente durabilità e una chiara via per la scalabilità, è una notizia che ci riempie di speranza. Siamo forse un passo più vicini a un futuro in cui l’energia solare può essere convertita e immagazzinata in modo pulito ed efficiente, proprio come fanno le foglie degli alberi da milioni di anni. E io non vedo l’ora di vedere cosa ci riserverà il prossimo capitolo di questa affascinante avventura scientifica!

Fonte: Springer