Un materiale per l'uso nella scissione fotoelettrochimica dell'acqua che non è solo più economico delle alternative esistenti, ma aumenta sia l'efficienza che la resa del processo. Credito:ICN2
I ricercatori ICN2 guidati da ICREA Prof. Jordi Arbiol, in collaborazione con IREC e ICIQ, hanno prodotto un materiale per l'uso nella scissione fotoelettrochimica dell'acqua che non solo è più economico delle alternative esistenti, ma aumenta sia l'efficienza che la resa del processo. Basato sull'integrazione di diversi materiali in una struttura di nanofili multistrato, la ricerca è apparsa sulla copertina di questo mese Scienze energetiche e ambientali .
La scissione fotoelettrochimica dell'acqua (PEC) è un processo in cui la luce solare viene sfruttata in combinazione con materiali semiconduttori specializzati per indurre l'elettrolisi e separare l'idrogeno dalla molecola d'acqua. Con il cambiamento climatico globale che guida la necessità di fonti efficienti di energia sostenibile, è un argomento che ha ricevuto molta attenzione negli ultimi anni. I ricercatori di ICN2 in collaborazione con l'Istituto catalano per la ricerca energetica (IREC) e l'Istituto di ricerca chimica della Catalogna (ICIQ) hanno ottimizzato le proprietà del materiale semiconduttore per una conversione solare-combustibile più efficiente e produttiva.
Nello specifico, il materiale semiconduttore è necessario per assorbire l'energia solare e fungere da elettrodo nel processo di scissione dell'acqua. Ematite, un semiconduttore comune con una banda proibita stretta ideale per assorbire lo spettro solare, è un possibile fotoanodo. Come un ossido di ferro (α-Fe 2 oh 3 ), l'ematite è tra i minerali più abbondanti sulla superficie terrestre e quindi è notevolmente più economica dell'oro e del platino normalmente utilizzati. Però, problematiche relative al flusso di carica elettrica (vale a dire, trasporto di carica scadente, ricombinazione di carica superficiale e cinetica di trasferimento di carica lenta) hanno limitato la sua applicazione pratica nella scissione dell'acqua PEC.
Per superare questi limiti, studi precedenti si sono concentrati sullo sviluppo di compositi di ematite, strutture che incorporano un secondo materiale che conferisce proprietà compensatorie o aumentative alla base ematite. Diversi materiali sono stati studiati in formulazioni binarie con l'ematite. Jordi Arbiol e il suo team hanno integrato ben quattro materiali in una nanostruttura multistrato e hanno studiato sistematicamente le prestazioni PEC del fotoanodo risultante, anche gettando luce sui meccanismi chimici sottostanti.
Nella carta, il primo autore PengYi Tang descrive in dettaglio i processi di fabbricazione mediante i quali i quattro materiali abbondanti sulla terra vengono riuniti in una nuova eterostruttura di ematite nucleo/guscio basata su nanofili completa di "nanodoti" (vedi illustrazione). Uno studio della cinetica di trasferimento di carica alle interfacce degli elettrodi evidenzia anche il ruolo del rapporto densità dello stato superficiale/densità del donatore nel determinare l'efficienza del trasferimento di carica del materiale per la scissione dell'acqua PEC.
I fotoanodi compositi quaternari progettati hanno prestazioni superiori alle strutture all'avanguardia esistenti, mentre il lavoro nel suo insieme presenta un quadro più completo del comportamento di questi fotoanodi integrati.
