L'idrogeno è un promettente carburante "verde". L'elemento chimico più leggero, l'idrogeno è un efficiente magazzino di energia e potrebbe potenzialmente sostituire la benzina nei veicoli. Però, l'elemento non esiste in grandi quantità in natura, e deve essere prodotto artificialmente.

L'idrogeno può essere prodotto scindendo l'acqua (H2O) in idrogeno (H2) e ossigeno (O2). Ci sono molti modi per farlo, ma tra i più puliti - quindi i più attraenti - c'è l'uso di celle solari. Questi dispositivi catturano l'energia della luce solare per guidare la reazione di scissione dell'acqua.

La luce del sole arriva in uno spettro, con ogni colore avente una lunghezza d'onda diversa. Le celle solari devono assorbire la luce di particolari lunghezze d'onda, a seconda di quanta energia ha bisogno la cellula per guidare la reazione. Più dello spettro cattura, più idrogeno produce. Sfortunatamente, la maggior parte delle cellule assorbe solo lunghezze d'onda della luce più corte, corrispondente alla regione di energia più alta della luce visibile al di sotto del dominio della luce rossa. Ciò significa che mentre è possibile utilizzare colori come la luce blu e verde, il resto è sprecato.

Ora, i ricercatori dell'Università di Kyushu in Giappone e del suo Istituto per la ricerca sull'energia a emissioni zero (I2CNER) hanno potenzialmente risolto questo problema. Hanno inventato un dispositivo guidato dalla luce del vicino infrarosso (NIR) - la parte dello spettro, invisibile ad occhio nudo, con lunghezze d'onda maggiori della luce rossa visibile. Così, hanno consentito uno spettro di luce più ampio, compresi raggi UV, visibile, e NIR, da raccogliere. Il loro design sfrutta abilmente la chimica del rutenio, un metallo pesante legato al ferro. Il loro successo è stato segnalato in Angewandte Chemie Edizione Internazionale .

Particolari materiali ibridi metallo-organici sono bravi a catturare la luce, che aiuta i loro elettroni a "saltare" negli orbitali nelle parti organiche dei materiali attaccati al centro metallico. Nelle celle solari, questo è il primo passo nella produzione di idrogeno, poiché gli elettroni sono i driver della chimica. Però, il salto tra gli orbitali è solitamente così grande che solo l'UV e la regione a più alta energia della luce visibile hanno abbastanza energia per stimolarlo. Rosso, NIR, e anche la luce IR più lunga viene semplicemente riflessa o passa attraverso i dispositivi, e la loro energia rimane inutilizzata.

Il design del Kyushu è diverso. "Abbiamo introdotto nuovi orbitali elettronici negli atomi di rutenio, " Spiega l'autore corrispondente dello studio, il professor Ken Sakai. "È come aggiungere pioli a una scala - ora gli elettroni nel rutenio non hanno così tanto da saltare, in modo che possano utilizzare energie di luce inferiori come il rosso e il NIR. Questo raddoppia quasi la quantità di fotoni solari che possiamo raccogliere".

Il trucco è usare un composto organico - anelli esagonali di carbonio e azoto - per collegare tre atomi di metallo in un'unica molecola. Infatti, questo non solo crea questi nuovi "gradini" - da qui la capacità di utilizzare la luce rossa e NIR - ma rende anche la reazione più efficiente a causa dell'espansione spaziale della parte della molecola che raccoglie la luce. Così, la produzione di idrogeno è accelerata.

"Ci sono voluti decenni di sforzi in tutto il mondo, ma siamo finalmente riusciti a guidare la riduzione dell'acqua per far evolvere l'H2 utilizzando NIR, " Dice Sakai. "Speriamo che questo sia solo l'inizio - più comprendiamo la chimica, meglio possiamo progettare dispositivi per rendere puliti, lo stoccaggio di energia a base di idrogeno una realtà commerciale."