Oltre a grandi solchi, che erano presenti prima dell'incisione, è stata osservata un'elevata densità di piccoli solchi sulle superfici dopo l'incisione. Credito:NITech
Nel presente contesto di CO 2 livelli e questioni di sostenibilità, continua la ricerca di alternative efficienti e pulite per la produzione di energia. Tra i combustibili ecosostenibili più attraenti conosciuti, l'idrogeno si distingue e c'è molto potenziale per il suo utilizzo. Ma i ricercatori devono ancora trovare un metodo conveniente e scalabile per produrre grandi quantità di idrogeno, e un'economia dell'idrogeno non è ancora nelle carte.
Ad esempio, l'idrogeno può essere prodotto da combustibili fossili, ma il processo genera CO 2 ed è, perciò, non sostenibile. Un approccio ecologico alla produzione di idrogeno è la scissione dell'acqua:la rottura delle molecole d'acqua (H 2 O) per ottenere idrogeno puro (H 2 ). L'energia che questo processo richiede può essere raccolta direttamente dalla radiazione solare utilizzando celle fotoelettrochimiche. Queste celle sono composte da due elettrodi e da un materiale chiamato elettrolita; le caratteristiche di tutti e tre sono studiate per innescare e favorire le necessarie reazioni di scissione dell'acqua.
Una caratteristica importante che determina l'efficienza della reazione di scissione dell'acqua è il "band gap" del materiale del fotoelettrodo. Il band gap è in linea di massima una misura dell'energia che gli elettrodi devono ricevere affinché la carica possa trasferirsi attraverso di essi e la reazione possa verificarsi. Sono desiderabili materiali fotoelettrodi con gap di banda moderati perché dovrebbe essere catturata meno energia dalla radiazione solare per causare la circolazione di carica. Alla luce di questo, Gli elettrodi al carburo di silicio (SiC) sono stati esplorati come un'opzione promettente.
Ora, scienziati del Nagoya Institute of Technology, Giappone, hanno contribuito a una migliore comprensione di questi materiali. "Il SiC è uno dei materiali fotoelettrodi più promettenti per la sua durata. Tra i suoi vari tipi, Il 3C-SiC può assorbire parte della luce visibile grazie al suo moderato gap di banda ed è anche in grado di generare idrogeno, " spiega il dottor Kato, scienziato capo di questo studio pubblicato su Applied Physics Express. Tuttavia, le prestazioni osservate dei fotoelettrodi 3C-SiC esistenti sono ancora inferiori a quelle previste dai calcoli teorici.
Per colmare questo divario e migliorare le prestazioni, gli scienziati hanno applicato un approccio precedentemente riportato:l'efficienza dei fotoelettrodi può essere migliorata dando loro una struttura strutturata. Una superficie ruvida consente alla luce incidente di passare più volte attraverso il materiale, aumentando la quantità di luce solare assorbita.
In questo studio, per rendere testurizzate le superfici del fotoelettrodo 3C-SiC, Il dottor Kato e il suo collega hanno impiegato una tecnica chiamata "incisione elettrochimica". Hanno quindi confrontato le proprietà ottiche ed elettriche e le prestazioni di diversi fotoelettrodi incisi in varie condizioni. Hanno anche osservato tutte le superfici attraverso tecniche avanzate di microscopia.
Videro che l'incisione era avvenuta preferenzialmente sulle faglie e dislocazioni esistenti sulla superficie del materiale. La sua rugosità superficiale è stata notevolmente aumentata (come desiderato), senza la formazione di "difetti puntuali", anomalie nella struttura di base dell'elettrodo.
Le sue prestazioni, misurate attraverso la sua efficienza di conversione da fotone a corrente sotto una tensione applicata (nota anche come "ABPE" o "efficienza di conversione da fotone a corrente di polarizzazione applicata"), hanno mostrato un miglioramento. In condizioni ottimali di incisione e deposizione di cocatalizzatore di platino, la performance è risultata essere del 2%. "Questo valore ABPE è il più alto tra le efficienze riportate per i fotoelettrodi SiC finora. Pertanto, riteniamo che il nostro fotoelettrodo 3C-SiC con una struttura superficiale formata tramite incisione elettrochimica sia promettente per applicazioni di conversione dell'energia solare in idrogeno, " conclude il dottor Kato.
Gli scienziati affermano che il loro obiettivo finale è quello di produrre un giorno fotocatodi SiC con efficienze da solare a idrogeno paragonabili a quelle di altre tecnologie di conversione dell'energia. La realizzazione di questa visione potrebbe essere un passo fondamentale verso un'economia dell'idrogeno più rispettosa dell'ambiente.
