Una nuova, il dispositivo di fotosintesi artificiale stabile raddoppia l'efficienza di sfruttare la luce solare per rompere sia l'acqua dolce che quella salata, generazione di idrogeno che può poi essere utilizzato nelle celle a combustibile.

Il dispositivo potrebbe anche essere riconfigurato per trasformare l'anidride carbonica in carburante.

L'idrogeno è il combustibile più pulito, con l'acqua come unica emissione. Ma la produzione di idrogeno non è sempre rispettosa dell'ambiente. I metodi convenzionali richiedono gas naturale o energia elettrica. Il metodo avanzato dal nuovo dispositivo, chiamato scissione solare diretta dell'acqua, utilizza solo acqua e luce del sole.

"Se possiamo immagazzinare direttamente l'energia solare come combustibile chimico, come quello che fa la natura con la fotosintesi, potremmo risolvere una sfida fondamentale delle energie rinnovabili, " disse Zetian Mi, un professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università del Michigan che ha guidato la ricerca mentre era alla McGill University di Montreal.

Faqrul Alam Chowdhury, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica e informatica alla McGill, ha detto che il problema con le celle solari è che non possono immagazzinare elettricità senza batterie, che hanno un costo complessivo elevato e una durata limitata.

Il dispositivo è realizzato con gli stessi materiali ampiamente utilizzati delle celle solari e di altri dispositivi elettronici, inclusi silicio e nitruro di gallio (spesso presenti nei LED). Con un design pronto per l'industria che funziona solo con la luce del sole e l'acqua di mare, il dispositivo apre la strada alla produzione su larga scala di idrogeno pulito.

I precedenti separatori di acqua solare diretti hanno raggiunto poco più dell'1% di efficienza stabile dal solare all'idrogeno in acqua dolce o salata. Altri approcci risentono dell'uso di costosi, materiali inefficienti o instabili, come il biossido di titanio, ciò potrebbe anche comportare l'aggiunta di soluzioni altamente acide per raggiungere efficienze più elevate.

Mi e la sua squadra, però, raggiunto più del 3% di efficienza solare-idrogeno. Per raggiungere questa efficienza stabile, il team ha costruito un paesaggio urbano di dimensioni nanometriche di torri di nitruro di gallio che hanno generato un campo elettrico. Il nitruro di gallio diventa leggero, o fotoni, in elettroni mobili e posti vacanti carichi positivamente chiamati buchi. Queste cariche libere dividono le molecole d'acqua in idrogeno e ossigeno.

"Quando questo wafer appositamente progettato viene colpito da fotoni, il campo elettrico aiuta a separare elettroni e lacune fotogenerati per guidare in modo efficiente la produzione di molecole di idrogeno e ossigeno, "Chowdhury ha detto.

Attualmente, il supporto in silicio del chip non contribuisce alla sua funzione, ma potrebbe fare di più. Il prossimo passo potrebbe essere quello di utilizzare il silicio per aiutare a catturare i portatori di carica di luce e imbuto alle torri di nitruro di gallio.

"Sebbene l'efficienza del 3% possa sembrare bassa, se inserito nel contesto dei 40 anni di ricerca su questo processo, in realtà è un grande passo avanti, " Mi ha detto. "Fotosintesi naturale, a seconda di come lo calcoli, ha un'efficienza di circa lo 0,6 per cento."

Aggiunge che il 5% di efficienza è la soglia per la commercializzazione, ma la sua squadra punta a un'efficienza del 20 o 30 percento.

Mi conduce ricerche simili per rimuovere l'anidride carbonica dal suo ossigeno per trasformare il carbonio risultante in idrocarburi, come metanolo e syngas. Questo percorso di ricerca potrebbe potenzialmente rimuovere l'anidride carbonica dall'atmosfera, come fanno le piante.

"Questa è la parte veramente eccitante, " disse Mi.

Il dispositivo è documentato nello studio, "Un sistema di fotosintesi artificiale a diodi fotochimici per la scissione complessiva dell'acqua pura ad alta efficienza non assistita, " pubblicato in Comunicazioni sulla natura . Insieme a Mi e Chowdhury, i coautori includono Michel Trudeau del Centre of Excellence in Transportation Electrification and Energy Storage, Hydro-Québec, e Hong Guo della McGill University.