Quando lo scienziato di Lawrence Livermore Tadashi Ogitsu ha noleggiato un'auto a celle a combustibile a idrogeno nel 2017, sapeva che il suo tragitto giornaliero sarebbe cambiato per sempre. Non ci sono gas serra che escono dal tubo di scappamento, solo un po' di vapore acqueo.

Il mercato delle auto a idrogeno è in crescita. Secondo un recente rapporto della California Energy Commission e del California Air Resources Board, lo stato è ora sede di 31 stazioni di rifornimento di idrogeno.

La prossima sfida è rendere il carburante a idrogeno economico e sostenibile.

"L'idrogeno può essere prodotto da più fonti, ma il Santo Graal è quello di ricavarlo dall'acqua e dalla luce del sole, " disse Ogitsu, uno scienziato del personale del Quantum Simulations Group presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). È anche membro del comitato direttivo per il Consorzio HydroGEN Advanced Water Splitting Materials, un consorzio guidato da un laboratorio nella rete dei materiali energetici del Dipartimento dell'energia (DOE). Si concentra sulla produzione di idrogeno dall'acqua tramite elettrolisi avanzata ad alta e bassa temperatura, così come i processi fotoelettrochimici e termochimici solari ed è gestito attraverso l'Ufficio per le tecnologie delle celle a combustibile dell'Ufficio per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili (EERE) del DOE.

Una delle sfide associate alle tecnologie di scissione dell'acqua a energia solare per la produzione di idrogeno è la stabilità del dispositivo che svolge il compito. Nella produzione di idrogeno fotoelettrochimico (PEC), un fotoassorbitore a semiconduttore che raccoglie la luce solare è immerso direttamente in una soluzione elettrolitica a base acquosa. Una sfida è che molti dei materiali fotoassorbenti più efficienti, come silicio e fosfuro di indio, sono spesso instabili in condizioni operative PEC. Ciò è in gran parte dovuto alle reazioni chimiche all'interfaccia solido/liquido, alcuni dei quali provocano l'ossidazione e la degradazione del materiale.

Insieme ai colleghi della Notre Dame University e del Lawrence Berkeley National Laboratory, Gli scienziati del LLNL hanno sviluppato una tecnica di esperimento-teoria integrata per interrogare la chimica nelle interfacce solido/liquido. Questa tecnica è stata applicata per comprendere gli ossidi formati su superfici di fosfuro di gallio (GaP) e fosfuro di indio (InP) in condizioni rilevanti per la produzione di idrogeno PEC, un primo passo verso il controllo della chimica di questi materiali. La ricerca compare sulla copertina del Journal of Physical Chemistry Letters nell'edizione del 4 gennaio.

Ogitsu, Brandon Wood e l'autore principale Tuan Anh Pham hanno sfruttato le capacità di calcolo ad alte prestazioni presso LLNL per simulare possibili specie chimiche che possono verificarsi sulle superfici dei fotoassorbitori a contatto con mezzi acquosi. Queste specie sono state poi caratterizzate da impronte spettroscopiche utilizzando calcoli quantomeccanici.

I ricercatori di Notre Dame hanno convalidato sperimentalmente i calcoli utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X all'avanguardia. Oltre a fornire una comprensione dettagliata della chimica all'interfaccia solido/liquido, gli autori hanno esplorato come influisce sulla stabilità del semiconduttore durante il funzionamento. Per esempio, hanno scoperto che, rispetto a GaP, la rete dell'idrogeno vicino alle superfici InP è molto più fluida, facilitando l'auto-riparazione delle imperfezioni superficiali che determinano una migliore resistenza alla corrosione dell'InP.

"I rapidi sviluppi nei metodi computazionali e sperimentali ora consentono di integrare direttamente i due in un modo che non abbiamo mai visto prima, " Ha detto Pham. "Questo fornisce un nuovo modo per comprendere la chimica di interfacce molto complesse che altrimenti non potrebbero essere affrontate da nessuna singola tecnica. Il nostro lavoro è una tabella di marcia per sondare questi tipi di interfacce in un'ampia varietà di tecnologie energetiche".