Un escursionista si disorienta durante un trekking nel deserto quando si imbatte in una pozzanghera che si sta asciugando lasciata da una pioggia recente.

consumato dalla sete, miglia da casa, l'escursionista deve decidere se bere e rischiare l'infezione da qualsiasi batterio si trovi nella pozzanghera, o sopportare la disidratazione. Ma quell'escursionista potrebbe un giorno essere in grado di bere senza preoccupazioni, grazie a un nuovo tipo di depuratore d'acqua che utilizza la luce solare e l'acqua per produrre perossido di idrogeno, un potente e comune antisettico.

Il depuratore d'acqua sperimentale, sviluppato nel laboratorio di Xiaolin Zheng, professore associato di ingegneria meccanica, è una variante del più noto processo di utilizzo dell'energia solare per scindere l'acqua in idrogeno, un combustibile a combustione pulita, e ossigeno, un elemento vitale. Ma, come descrive il team nel diario Materiali energetici avanzati , invece di scindere completamente ossigeno e idrogeno, il nuovo processo riduce l'ossigeno e ossida l'acqua per produrre perossido di idrogeno, o H ₂ oh ₂ .

Anche solo una piccola quantità purificherà l'acqua, lei dice. Il perossido di idrogeno disinfetta l'acqua a un livello di decine di parti per milione. Sono circa due cucchiai in 25 litri d'acqua. Nei test che utilizzano l'acqua del rubinetto, il sistema di Stanford raggiunge facilmente ben oltre 400 parti per milione di H ₂ oh ₂ tra cinque ore.

Zheng afferma che il team dovrà cambiare alcuni dei materiali nel processo per rendere sicura da bere la sua miscela di acqua normale e perossido di idrogeno. Ma pensano che un giorno, una persona assetata disperata potrebbe tirare fuori il suo leggero purificatore solare, versare un po' di H2O sospetta e, dato abbastanza tempo, produrre abbastanza H ₂ oh ₂ attraverso il processo attivato dal sole per trasformare qualsiasi acqua dolce in una vera e propria oasi.

Oltre alle future applicazioni per l'acqua potabile, Zheng e Xinjian Shi, lo studente laureato che guida il progetto, immaginiamo anche che il loro sistema possa essere adattato in piscine autosufficienti purificate con perossido di idrogeno creato dal sole anziché con cloro, o stazioni di purificazione dell'acqua a energia solare da utilizzare nelle regioni in via di sviluppo dove l'acqua dolce è un bene prezioso.

Materie prime abbondanti

Il prototipo era costituito da due elettrodi, un anodo e un catodo, spinta in acqua. L'anodo era fatto di vanadato di bismuto (BiVO4), un semiconduttore fotosensibile. Il carbonio semplice fungeva da catodo. Quando esposto alla luce solare, il semiconduttore di bismuto vanadato ha inviato elettroni carichi negativamente che scorrevano verso il catodo, mentre i portatori di carica positiva, o "buchi" come sono conosciuti in fisica, rifluivano verso l'anodo. Il flusso di elettroni ha trasformato l'ossigeno in perossido di idrogeno mentre i fori hanno agito per trasformare l'acqua in perossido di idrogeno, formando il composto purificante su entrambi gli elettrodi.

È una nuova interpretazione di ciò che è noto nei circoli ingegneristici come sistema fotoelettrochimico (PEC). I sistemi PEC sono stati molto studiati dagli anni '70 per la loro capacità di convertire la luce solare in carburante e altre sostanze chimiche utili, come l'idrogeno e l'ossigeno. I precedenti esperimenti PEC hanno prodotto perossido di idrogeno, ma nessuno di questi esperimenti precedenti ha avuto successo come la presente ricerca.

"Il nostro è un sistema non assistito, "Shi dice, "Richiede zero input di energia e solo luce, acqua e ossigeno per lavorare. L'acqua è il 'carburante' del nostro sistema. Infatti, funziona con l'acqua del rubinetto."

intrigante, il sistema produce perossido di idrogeno su entrambi i lati della reazione, all'anodo e al catodo. Alla fine di tutto, c'è anche una piccola quantità di elettricità rimanente, grazie all'efficienza delle reazioni chimiche. Pur non essendo una grande quantità, che l'energia aggiuntiva potrebbe essere utilizzata per accendere una lampadina a LED come indicatore del corretto funzionamento del sistema, dicono i ricercatori, lasciare che il proprietario assetato beva con fiducia.

"Pensiamo che questa sia una nuova direzione nella scissione dell'acqua PEC, che di solito richiede input energetici aggiuntivi per funzionare, " dice Zheng.

Lavoro avanti

I ricercatori considerano questo documento come una prova del concetto e affermano che rimane molto lavoro prima che i purificatori che producono perossido di idrogeno possano diventare un luogo comune. Più importante, il vanadato di bismuto, l'anodo, è esso stesso tossico e dovrebbe essere sostituito da un altro materiale ugualmente fotosensibile.

Dott.ssa Samira Siahrostami, un coautore dello studio e un ingegnere di ricerca presso il SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis di Stanford, selezionato il vanadato di bismuto come anodo per questo prototipo grazie alla sua efficienza e capacità di generare perossido di idrogeno. Andando avanti, i ricercatori hanno in programma di identificare altri materiali anodici che siano stabili, efficiente e sicuro per la purificazione dell'acqua.

Zheng e Shi suggeriscono anche che potrebbero sostituire il catodo di carbonio con un materiale diverso che è anche fotosensibile (il carbonio non lo è). Un tale progetto sfrutterebbe una gamma più ampia di luce solare per migliorare ulteriormente l'efficienza del sistema.