Con la crescente pressione sulle emissioni globali di carbonio e sui cambiamenti climatici, è urgente sviluppare alternative energetiche più pulite invece dei combustibili fossili. L'idrogeno è un combustibile pulito a zero emissioni di carbonio perché produce solo acqua innocua quando brucia. Però, una tecnologia per produrre il cosiddetto "idrogeno verde" deve essere ulteriormente sviluppata per applicazioni pratiche, che impiega sulla scissione dell'acqua utilizzando una fonte di energia rinnovabile. L'idrogeno solare è una tecnologia ideale per produrre combustibile a idrogeno utilizzando la luce solare, ma nonostante l'intensa ricerca in tutto il mondo negli ultimi decenni, il progresso è stato lento.

Il professor Jae Sung Lee e il suo gruppo di ricerca presso la School of Energy and Chemical Engineering dell'UNIST, in collaborazione con scienziati del Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), La Cina ha recentemente riportato una scoperta significativa che potrebbe portare la produzione di idrogeno solare un passo più vicino alla realtà.

L'elettrolisi dell'acqua in idrogeno e ossigeno può essere realizzata ma richiede grandi quantità di elettricità che è in gran parte prodotta dalla combustione di combustibili fossili. La scissione fotoelettrochimica dell'acqua (PEC) fornisce un percorso rispettoso dell'ambiente e più sostenibile per la produzione di idrogeno. L'ematite è considerata un materiale fotoanodo candidato ideale per l'applicazione su larga scala della scissione dell'acqua PEC a causa della sua abbondanza naturale, robustezza chimica, e un bandgap ideale di 2,1 eV che consente un'elevata efficienza di conversione da solare a idrogeno del 16,8% (oltre il 10% è un requisito per la commercializzazione). Realizzare le elevate prestazioni dell'ematite corrispondente al suo potenziale promettente rimane una grande sfida a causa di vari fattori limitanti nelle sue proprietà optoelettroniche. A causa di queste limitazioni, le prestazioni riportate dei fotoanodi di ematite rimangono meno della metà delle loro prestazioni potenziali.

Il team di ricerca ha progettato e costruito con successo un nuovo fotoanodo nanostrutturato a base di ematite, che è una formazione core-shell di nanotubi di omogiunzione di ematite drogata con tantalio gradiente mediante combinazione di seconda crescita idrotermale e ricottura ibrida a microonde (HMA). I nanotubi di omogiunzione drogati con gradiente Ta determinano un'elevata conduttività all'interno (drogaggio Ta5+ pesante) mentre gli stati superficiali all'esterno sono stati passivati ​​dalla rimozione dei difetti superficiali causati dal drogaggio Ta5+ pesante. Più cruciale, questo costruisce un campo elettrico aggiuntivo per sopprimere la ricombinazione di carica, portando ad un significativo miglioramento della fotocorrente e una grande diminuzione della tensione di accensione (vedi Figura 1). La maggior parte delle strategie di modifica note migliora la generazione di fotocorrente o riduce la tensione di accensione corrente. L'unicità della nostra strategia di nuova concezione è quella di migliorare le due figure di merito contemporaneamente. Questo lavoro dimostra bene come le molteplici strategie di alto doping, l'omogiunzione e il caricamento del cocatalizzatore migliorano le prestazioni del fotoanodo. Di conseguenza, il fotoanodo finalmente ottimizzato migliora la densità della fotocorrente del 66,8% e sposta la sua tensione di accensione di ~270 mV rispetto al fotoanodo non modificato.

Attualmente la maggior parte dell'idrogeno è prodotto dal reforming del gas naturale, che non è né pulito né sostenibile. Con ulteriori sviluppi, si può produrre idrogeno pulito e verde dalla scissione dell'acqua solare, e l'attuale scoperta potrebbe essere una pietra miliare importante in tali sviluppi.

I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .