Tre anni fa, gli scienziati dell'Università del Michigan hanno scoperto un dispositivo di fotosintesi artificiale fatto di silicio e nitruro di gallio (Si/GaN) che sfrutta la luce solare in idrogeno privo di carbonio per le celle a combustibile con il doppio dell'efficienza e della stabilità di alcune tecnologie precedenti.

Ora, gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Department of Energy (DOE), in collaborazione con l'Università del Michigan e il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), hanno scoperto un sorprendente, proprietà di automiglioramento in Si/GaN che contribuisce alle prestazioni altamente efficienti e stabili del materiale nel convertire la luce e l'acqua in idrogeno privo di carbonio. Le loro scoperte, riportato sul giornale Materiali della natura , potrebbe aiutare ad accelerare radicalmente la commercializzazione delle tecnologie di fotosintesi artificiale e delle celle a combustibile a idrogeno.

"La nostra scoperta è un vero punto di svolta, " ha detto l'autore senior Francesca Toma, uno scienziato del personale nella divisione di scienze chimiche presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento di energia. Generalmente, i materiali nei sistemi a combustibili solari si degradano, diventano meno stabili e quindi producono idrogeno in modo meno efficiente, lei disse. "Ma abbiamo scoperto una proprietà insolita in Si/GaN che in qualche modo gli consente di diventare più efficiente e stabile. Non ho mai visto una tale stabilità".

I precedenti materiali di fotosintesi artificiale sono eccellenti assorbitori di luce che mancano di durata; oppure sono materiali durevoli che mancano di efficienza di assorbimento della luce.

Ma il silicio e il nitruro di gallio sono materiali abbondanti ed economici che sono ampiamente utilizzati come semiconduttori nell'elettronica quotidiana come i LED (diodi a emissione di luce) e le celle solari, ha detto il co-autore Zetian Mi, un professore di ingegneria elettrica e informatica all'Università del Michigan che ha inventato i dispositivi di fotosintesi artificiale Si/GaN un decennio fa.

Quando il dispositivo Si/GaN di Mi ha raggiunto un'efficienza record del 3% da solare a idrogeno, si chiedeva come materiali così ordinari potessero funzionare così straordinariamente bene in un esotico dispositivo di fotosintesi artificiale, così si è rivolto a Toma per chiedere aiuto.

HydroGEN:adottare un approccio di Team Science ai combustibili solari

Mi aveva appreso dell'esperienza di Toma nelle tecniche avanzate di microscopia per sondare le proprietà su scala nanometrica (miliardesimi di metro) dei materiali di fotosintesi artificiale attraverso HydroGEN, un consorzio di cinque laboratori nazionali supportato dall'ufficio per le tecnologie dell'idrogeno e delle celle a combustibile del DOE, e guidato dal National Renewable Energy Laboratory per facilitare le collaborazioni tra National Labs, accademico, e l'industria per lo sviluppo di materiali avanzati per la scissione dell'acqua. "Queste interazioni di supporto all'industria e al mondo accademico sui materiali avanzati per la scissione dell'acqua con le capacità dei National Labs sono esattamente il motivo per cui è stato formato HydroGEN, in modo che possiamo spostare l'ago sulla tecnologia di produzione di idrogeno pulita, "ha detto Adam Weber, Responsabile del programma del laboratorio di Berkeley Lab per le tecnologie sull'idrogeno e le celle a combustibile e vicedirettore di HydroGEN.

Toma e l'autore principale Guosong Zeng, uno studioso post-dottorato nella divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab, sospettava che il GaN potesse svolgere un ruolo nell'insolito potenziale del dispositivo per l'efficienza e la stabilità della produzione di idrogeno.

Per scoprirlo, Zeng ha effettuato un esperimento di microscopia a forza atomica fotoconduttiva presso il laboratorio di Toma per testare come i fotocatodi di GaN potessero convertire in modo efficiente i fotoni assorbiti in elettroni, e poi reclutare quegli elettroni liberi per dividere l'acqua in idrogeno, prima che il materiale iniziasse a degradarsi e diventare meno stabile ed efficiente.

Si aspettavano di vedere un forte calo dell'efficienza e della stabilità di assorbimento dei fotoni del materiale dopo poche ore. Con loro stupore, hanno osservato un miglioramento di 2-3 ordini di grandezza nella fotocorrente del materiale proveniente da minuscole sfaccettature lungo la "parete laterale" del grano di GaN, ha detto Zeng. Ancora più sconcertante era che il materiale avesse aumentato la sua efficienza nel tempo, anche se la superficie complessiva del materiale non è cambiata molto, ha detto Zeng. "In altre parole, invece di peggiorare, il materiale è migliorato, " Egli ha detto.

Per raccogliere più indizi, i ricercatori hanno reclutato la microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM) presso il Centro nazionale per la microscopia elettronica nella fonderia molecolare del Berkeley Lab, e spettroscopia di fotoni a raggi X dipendente dall'angolo (XPS).

Questi esperimenti hanno rivelato che uno strato di 1 nanometro mescolato con gallio, azoto, e l'ossigeno, o ossinitruro di gallio, si era formato lungo alcune pareti laterali. Era avvenuta una reazione chimica, aggiungendo "siti catalitici attivi per le reazioni di produzione di idrogeno, " ha detto Tomà.

Le simulazioni della teoria del funzionale della densità (DFT) effettuate dai coautori Tadashi Ogitsu e Tuan Anh Pham presso LLNL hanno confermato le loro osservazioni. "Calcolando il cambiamento di distribuzione delle specie chimiche in parti specifiche della superficie del materiale, abbiamo trovato con successo una struttura superficiale che è correlata allo sviluppo dell'ossinitruro di gallio come sito di reazione per l'evoluzione dell'idrogeno, " ha detto Ogitsu. "Speriamo che i nostri risultati e il nostro approccio, una collaborazione strettamente integrata tra teoria ed esperimenti resa possibile dal consorzio HydroGEN, vengano utilizzati per migliorare ulteriormente le tecnologie di produzione di idrogeno rinnovabile".

Mi ha aggiunto:"Lavoriamo su questo materiale da oltre 10 anni, sappiamo che è stabile ed efficiente. Ma questa collaborazione ha aiutato a identificare i meccanismi fondamentali alla base del motivo per cui diventa più robusto ed efficiente invece di degradarsi. I risultati di questo lavoro ci aiuterà a costruire dispositivi di fotosintesi artificiale più efficienti a un costo inferiore".

Guardando avanti, Toma ha detto che lei e il suo team vorrebbero testare il fotocatodo Si/GaN in una cella fotoelettrochimica che divide l'acqua, e che Zeng sperimenterà materiali simili per comprendere meglio come i nitruri contribuiscono alla stabilità nei dispositivi di fotosintesi artificiale, cosa che non avrebbero mai pensato fosse possibile.

"È stato del tutto sorprendente, " ha detto Zeng. "Non aveva senso, ma i calcoli DFT di Pham ci hanno fornito la spiegazione di cui avevamo bisogno per convalidare le nostre osservazioni. I nostri risultati ci aiuteranno a progettare dispositivi di fotosintesi artificiale ancora migliori".

"Si è trattato di una rete di collaborazione senza precedenti tra National Labs e un'università di ricerca, " ha affermato Toma. "Il consorzio HydroGEN ci ha riuniti:il nostro lavoro dimostra come l'approccio scientifico del team dei laboratori nazionali possa aiutare a risolvere i grandi problemi che interessano il mondo intero".