La scissione dell'acqua con l'energia solare potrebbe fornire un percorso efficiente per la conversione e lo stoccaggio di energia rinnovabile su larga scala. Gli scienziati di TU Delft e AMOLF hanno ora progettato un fotoelettrodo molto efficiente e stabile, un materiale che assorbe la luce e divide direttamente l'acqua in idrogeno e ossigeno. Per di più, usano wafer di silicio come materiale che assorbe la luce, quindi il sistema è anche economico. Riferiscono sui loro risultati in Comunicazioni sulla natura di giovedì, 29 giugno.

Conversione di energia

La scissione fotoelettrochimica (PEC) dell'acqua (in idrogeno e ossigeno) è vista come un approccio sostenibile per produrre carburante pulito e rinnovabile mediante la conversione diretta dell'energia solare in energia chimica. L'idrogeno potrebbe ad esempio, essere utilizzato direttamente nelle celle a combustibile o combinato con altre molecole per creare prodotti chimici sostenibili.

"Insieme ai colleghi di AMOLF (Amsterdam), abbiamo progettato un fotoelettrodo, un materiale che assorbe la luce e divide direttamente l'acqua, che ha un'altissima efficienza e oltre 200 ore di stabilità', dice Wilson Smith, Professore Associato nel Dipartimento di Ingegneria Chimica della TU Delft. 'Questo è notevole in un campo in cui le persone normalmente mostrano solo poche ore di stabilità. Usiamo wafer di silicio come materiale che assorbe la luce, quindi anche il fotoelettrodo è molto economico.'

'Così, In sintesi, ora abbiamo un materiale a basso costo, assorbe molta luce, ha un'elevata efficienza catalitica, ed è notevolmente stabile'.

MIS

È essenziale che un sistema PEC fornisca una fotocorrente e una fototensione sufficientemente elevate per guidare la reazione di ossidazione dell'acqua. In genere c'è un equilibrio tra l'efficienza catalitica di questo sistema e la sua stabilità a lungo termine. Risolvere un problema di solito peggiora l'altro. 'Qui, abbiamo affrontato in modo indipendente i colli di bottiglia della stabilità e della catalisi nella scissione fotoelettrochimica dell'acqua, e li ha combinati in un semplice sistema. Abbiamo utilizzato uno strato isolante di nuova concezione per stabilizzare il fotoelettrodo a semiconduttore (Si), utilizzando anche due metalli per aumentare il fotovoltaggio e dividere l'acqua con un'elevata efficienza. Questo approccio, noto come realizzazione di una giunzione metallo-isolante-semiconduttore (MIS), si è dimostrato efficiente in precedenza ma mai così durevole', Smith spiega.

Durata

'Nonostante il grande vantaggio della struttura MIS per la suddivisione dell'acqua solare, rimane un importante compromesso tra l'elevata efficienza e la durata a lungo termine', dice Smith. Perciò, molti sforzi si sono concentrati sulla protezione dei fotoelettrodi. Il nichel (Ni) è un metallo attraente che ha tutte le funzionalità richieste per i fotoanodi MIS:un'elevata funzione di lavoro per la generazione di alta fototensione, un catalizzatore attivo per l'ossidazione dell'acqua, ed elevata stabilità chimica in soluzione fortemente alcalina. Ni assorbe la luce, che può limitare le prestazioni del fotoelettrodo, quindi deve essere molto sottile (2 nm). Però, uno strato di Ni così sottile non è in grado di proteggere completamente il fotoanodo sottostante in un elettrolita altamente corrosivo a pH 14.

Semplice

I ricercatori hanno ora sviluppato un fotoanodo MIS in grado di fornire un'elevata efficienza e un'elevata stabilità progettando sia le interfacce metallo-isolante che isolante-semiconduttore. Nello specifico, hanno introdotto uno strato di Al2O3 e due metalli, Pt e Ni. Utilizzando questa strategia di protezione semplice ma efficace, ottengono oltre 200 ore di funzionamento di un fotoanodo MIS che mostra fotocorrenti elevate e costanti in una forte soluzione di base. Così, l'approccio utilizzato in questo studio può essere potenzialmente integrato nella tecnologia FV esistente, rendendolo promettente per applicazioni future.

Per realizzare con successo la scissione spontanea dell'acqua, il fotoanodo dovrebbe essere combinato con fotoelettrodi a banda proibita più grandi in una disposizione in serie o in tandem. Ciò semplificherebbe la progettazione di un dispositivo fotoelettrochimico altamente efficiente per la scissione dell'acqua solare.