Il Futuro dell'Energia: L'Idrogeno e la Scienza dei Materiali Avanzati
Idrogeno Verde: La Rivoluzione Energetica Passa per i Materiali Janus
La transizione energetica è una sfida globale, e l'idrogeno verde emerge come soluzione cruciale per decarbonizzare la nostra economia. La produzione attuale, spesso legata ai combustibili fossili, necessita di alternative sostenibili. L'elettrolisi dell'acqua alimentata da energie rinnovabili è una strada promettente, ma una nuova frontiera è la fotoelettrolisi, che produce idrogeno direttamente dalla luce solare e dall'acqua. Un'innovazione rivoluzionaria in questo campo sono gli eterostrati Janus, materiali bifacciali che superano i limiti di efficienza dei fotocatalizzatori tradizionali. Un team di ricerca ha dimostrato che materiali come il WS₂ e l'SMoSe, grazie alla loro struttura unica, possono raggiungere un'efficienza di conversione solare in idrogeno del 16,62%. Questa scoperta rappresenta un passo significativo verso la produzione di idrogeno pulito su larga scala, accelerando la lotta contro il cambiamento climatico e spingendo verso un futuro energetico più sostenibile.
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Introduzione
Il 90% della crescente domanda mondiale di energia è soddisfatta dai combustibili fossili e dal carbone. Di conseguenza si osserva un continuo aumento del livello di CO2 nell'atmosfera. A questo si aggiunge l’esaurimento delle riserve di combustibili fossili in quanto non sono risorse rinnovabili.
Il cambiamento climatico come conseguenza dell'aumento del livello di CO2 è stato identificato come una delle sfide più critiche per l'umanità e richiede un'azione immediata.
E’ necessario raggiungere una significativa riduzione delle emissioni di CO2 entro il 2050 ciò implica che l'umanità deve trasformare la sua tecnologia energetica da una base fossile a una rinnovabile.
La produzione attuale di idrogeno si basa su uno stretto numero di tecnologia: steam reforming del metano, reforming della nafta, gassificazione del carbone, ossidazione parziale degli idrocarburi, elettrolisi dell’acqua.
Si parla sempre più spesso di idrogeno verde prodotto tramite l’elettrolisi dell’acqua alimentata da energie rinnovabili
Esiste un’altra tecnologia in grado di portare allo stesso risultato ma con meno passaggi. Parliamo della fotoelettrolisi, in cui celle simili a quelle fotovoltaiche utilizzano direttamente la luce incidente per attivare speciali elettrodi immersi in acqua e promuovere la medesima scissione molecolare.
I dispositivi fotoelettrochimici o integrati fotovoltaici ed elettrolisi hanno dimostrato prestazioni eccezionali su scala di laboratorio, ma permane una mancanza di dimostrazioni su scala più ampia (>100 W).
Innovazione: gli eterobistrati di Janus aprono la strada per un futuro più sostenibile
Nel panorama della ricerca scientifica e tecnologica, l'innovazione svolge un ruolo cruciale nel garantire soluzioni sempre più efficienti per le sfide globali. Tra i materiali più promettenti per la transizione verso fonti energetiche pulite, gli eterostrati Janus emergono come una tecnologia rivoluzionaria capace di migliorare la produzione di combustibili a idrogeno attraverso la fotocatalisi.
I materiali tradizionali impiegati nella fotocatalisi hanno sempre dovuto affrontare problemi legati alla bassa efficienza e alla rapida ricombinazione delle cariche elettriche generate dalla luce, limitando il loro potenziale nel settore dell'energia rinnovabile. Tuttavia, grazie alla particolare struttura bifacciale degli eterostrati Janus, queste criticità vengono superate, aprendo nuove opportunità per un futuro più sostenibile.
Un team di ricerca guidato da Nguyen Tuan Hung, professore associato presso il Frontier Research Institute for Interdisciplinary Science (FRIS) dell'Università di Tohoku, e da Vu Thi Hanh Thu, professore associato presso la VNU-HCM, ha esplorato interessanti combinazioni tra materiali Janus e dicalcogenidi di metalli di transizione (TMDC). Questi ultimi, rappresentati dalla formula MX₂, dove M è un metallo di transizione (come molibdeno o tungsteno) e X è un calcogeno (come zolfo, selenio o tellurio), possiedono proprietà elettroniche e ottiche straordinarie, con applicazioni che spaziano dall'elettronica all'optoelettronica fino alla spintronica.
Tra i materiali analizzati, uno degli eterostrati più promettenti è composto da WS₂ e SMoSe, una combinazione che ha raggiunto un’efficienza di conversione solare in idrogeno pari al 16,62%, superando la soglia del 15%, considerata il limite per molti altri materiali già noti. Il segreto di questa efficienza risiede nella struttura Janus, dove i due lati del materiale contengono atomi diversi, generando un campo elettrico interno che migliora la separazione delle cariche elettriche e riduce la ricombinazione elettroni-lacune.
Questa innovazione non solo rappresenta un significativo avanzamento scientifico, ma apre anche prospettive concrete per lo sviluppo di tecnologie energetiche sostenibili. L’applicazione degli eterostrati Janus nella fotocatalisi potrebbe rivoluzionare la produzione di idrogeno pulito, contribuendo in modo significativo alla lotta contro il cambiamento climatico e alla transizione verso un'economia basata su energie rinnovabili.
Con studi sempre più approfonditi e innovazioni continue, gli eterostrati Janus potrebbero diventare una pietra miliare nel cammino verso un futuro energetico più efficiente e sostenibile.
Che cosa sono le celle fotoelettrolitiche?
Le celle fotoelettrochimiche (PEC) estraggono energia elettrica dalla luce, compresa la luce solare.
Ogni cella è costituita da uno o due fotoelettrodi semiconduttori e da elettrodi metallici ausiliari immersi in un elettrolita.
In aggiunta o al posto dell'energia elettrica, i PEC possono produrre combustibili utili in un processo come l'elettrolisi dell'acqua.
Nei primi tentativi di utilizzare i PEC per la generazione solare di idrogeno (dai primi anni '70 in poi), l'efficienza di conversione era bassa (circa l'1%) a causa dell'ampio bandgap dei fotoelettrodi di ossido utilizzati e del conseguente disallineamento con lo spettro solare. L'efficienza delle celle solari è stata ampiamente aumentata utilizzando semiconduttori non ossidi con un intervallo di banda inferiore.
NOTA. l'effetto fotoelettrico è un fenomeno quantistico che consiste nell'emissione di elettroni da una superficie metallica quando viene colpita da una radiazione elettromagnetica
Un approccio più recente e promettente è stata l'applicazione di fotosensibilizzatori a nanocristallini come il biossido di titanio testurizzato (TiO2), queste celle non hanno elevate efficienze ma promettono di essere più economiche e più adatte a raccogliere la luce solare a bassa intensità.
La conversione dell’energia solare su larga scale in aggiunta ad un impianto di elettrolisi è in competizione con il sistema PEC.
La fabbricazione delle celle fotovoltaiche è una tecnologia industriale matura. I PEC sono ancora, al contrario, principalmente prototipi di laboratorio con un'aspettativa di vita molto più breve, prodotti su piccola scala in pochi laboratori di ricerca.
Perché è importante la tecnologia PEC?
L'interesse principale dei PEC è che offrono un intimo contatto tra semiconduttore ed elettrolita e che questa giunzione può essere assemblata mediante semplice immersione e smontata per l'ispezione mediante semplice emersione dalla soluzione.
I due requisiti più importanti per i fotoelettrodi semiconduttori in un PEC solare efficiente e stabile sono
(1) una buona corrispondenza del suo bandgap (la separazione energetica tra i bordi della banda di valenza e di conduzione) con lo spettro della radiazione incidente (solitamente lo spettro solare)
(2) processi redox ben adattati su entrambi gli elettrodi nel PEC.
Come viene generato idrogeno con un sistema PEC
Le celle fotoelettrochimiche sono in fase di sviluppo ma stanno mostrando un grande potenziale nell'utilizzare una gamma più ampia dello spettro solare in modo efficiente.
Nel sistema PEC, la generazione di idrogeno è il risultato della conversione integrata dell'energia solare e dell'elettrolisi dell'acqua in un'unica fotocellula. Questo processo è considerato un metodo ecologico, rinnovabile e a basso costo per la produzione di idrogeno.
I componenti principali di una cella PEC comprendono elettrodi di lavoro e controelettrodi, uno o entrambi sono fotoattivi. Generalmente, soprattutto su scala di laboratorio, il sistema contiene anche un elettrodo di riferimento per osservare semireazioni nella cella. Questo sistema di elettrodi è immerso principalmente in un elettrolita acquoso (Na2SO4). Il reattore è trasparente alla luce o comprende una finestra ottica che consente all'irradiazione di raggiungere il fotoelettrodo.
Se si utilizza un semiconduttore di tipo n, gli elettroni vengono raccolti nel fotoanodo e successivamente trasportati al controelettrodo attraverso un circuito esterno. Gli elettroni fotogenerati vengono consumati per ridurre H+ in H2 al catodo, mentre le lacune partecipano all'ossidazione dell'acqua in O2 e produzione di H+ all'anodo.
Viceversa, se si utilizza un semiconduttore di tipo p come elettrodo di lavoro, gli elettroni fotogenerati vengono utilizzati per ridurre H+ in H2 , mentre nel controelettrodo l'acqua viene ossidata in O2 e H+ .
In sintesi, i semiconduttori di tipo n producono una fotocorrente anodica in cui le lacune vengono trasferite verso l'elettrolita, mentre i semiconduttori di tipo p generano una fotocorrente catodica trasmettendo elettroni verso l'elettrolita.
L'efficienza della produzione di idrogeno in un PEC è principalmente influenzata dal processo di trasferimento degli elettroni, dall'energia del bandgap e dalla struttura a bande dei semiconduttori
EPFL: l’albero energetico
La tecnologia sfrutta un principio simile alla fotosintesi, ma producendo idrogeno, ossigeno e calore al posto di zucchero e ossigeno. Il tutto avviene attraverso una sorta di albero artificiale che cattura la luce solare in modo quasi mille volte più efficiente di quanto facciano le normali foglie.
Il sistema utilizza un'antenna parabolica e un reattore fotoelettrochimico. L'antenna cattura i raggi solari e li convoglia al reattore, che sfrutta l'energia solare per scindere le molecole d'acqua in idrogeno e ossigeno. Il calore generato durante il processo viene poi recuperato e utilizzato per riscaldare edifici o acqua.
Riferimenti
ScienceDirect, Photoelectrochemical Cell
Futuro prossimo, EPFL: idrogeno, ossigeno e calore grazie a un 'albero' speciale
Holmes-Gentle, I., Tembhurne, S., Suter, C. et al. Kilowatt-scale solar hydrogen production system using a concentrated integrated photoelectrochemical device. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01247-2
Nguyen Tran Gia Bao, et al Rational Design 2D Heterobilayers Transition-Metal Dichalcogenide and Their Janus for Efficient Water Splitting, ACS Applied Energy Materials
Idrogeno dall’elettrolisi |
Monitoraggio della produzione di idrogeno in Europa e costi  |
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