La ruggine sarebbe un materiale fotoelettrodi estremamente economico e stabile per produrre idrogeno verde con la luce. Ma l'efficienza è limitata. L'immagine TEM mostra un fotoanodo contenente un sottile strato fotoattivo di ruggine. Credito:Technion
L'idrogeno sarà necessario in grandi quantità come vettore energetico e materia prima nel sistema energetico del futuro. Per realizzare questo, però, l'idrogeno deve essere prodotto in modo neutrale dal punto di vista climatico, ad esempio attraverso la cosiddetta fotoelettrolisi, utilizzando la luce solare per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Come fotoelettrodi, sono necessari materiali semiconduttori che convertano la luce solare in elettricità e rimangano stabili nell'acqua. Gli ossidi metallici sono tra i migliori candidati per fotoelettrodi stabili ed economici. Alcuni di questi ossidi metallici hanno anche superfici cataliticamente attive che accelerano la formazione di idrogeno al catodo o di ossigeno all'anodo.
Perché la ruggine non è molto migliore?
La ricerca si è a lungo concentrata sull'ematite (α-Fe 2 oh 3 ), che è ampiamente noto come ruggine. L'ematite è stabile in acqua, estremamente economico e adatto come fotoanodo con una dimostrata attività catalitica per l'evoluzione dell'ossigeno. Sebbene la ricerca sui fotoanodi di ematite sia in corso da circa 50 anni, l'efficienza di conversione della fotocorrente è inferiore al 50% del valore massimo teorico. A confronto, l'efficienza della fotocorrente del silicio materiale semiconduttore, che oggi domina quasi il 90% del mercato fotovoltaico, è circa il 90% del valore massimo teorico.
Gli scienziati sono rimasti perplessi su questo per molto tempo. Cosa è stato esattamente trascurato? Qual è la ragione per cui sono stati raggiunti solo modesti incrementi di efficienza?
La squadra israelo-tedesca risolve il puzzle
In un recente studio pubblicato su Materiali della natura , però, un team guidato dal Dr. Daniel Grave (Ben Gurion University), Il Dr. Dennis Friedrich (HZB) e il Prof. Dr. Avner Rothschild (Technion) hanno fornito una spiegazione sul motivo per cui l'ematite è così al di sotto del valore massimo calcolato. Il gruppo del Technion ha studiato come la lunghezza d'onda della luce assorbita nei film sottili di ematite influenzi le proprietà fotoelettrochimiche, mentre il team HZB ha determinato le proprietà dei portatori di carica dipendenti dalla lunghezza d'onda in film sottili di ruggine con misurazioni a microonde risolte nel tempo.
Proprietà fisica fondamentale estratta
Combinando i loro risultati, i ricercatori sono riusciti a estrarre una proprietà fisica fondamentale del materiale che era stata generalmente trascurata quando si consideravano gli assorbitori solari inorganici:lo spettro di rendimento della fotogenerazione. "In parole povere, ciò significa che solo una parte dell'energia della luce assorbita dall'ematite genera portatori di carica mobili, il resto genera stati eccitati piuttosto localizzati e quindi si perde, "Spiega Grave.
La ruggine non migliorerà molto
"Questo nuovo approccio fornisce informazioni sperimentali sull'interazione luce-materia nell'ematite e consente di distinguere il suo spettro di assorbimento ottico in assorbimento produttivo e assorbimento non produttivo, " Spiega Rothschild. "Potremmo dimostrare che il limite superiore effettivo per l'efficienza di conversione dei fotoanodi di ematite è significativamente inferiore a quello previsto in base all'assorbimento del band-gap sopra indicato, " dice Grave. Secondo il nuovo calcolo, i fotoanodi di ematite "campione" di oggi si sono già avvicinati abbastanza al massimo teoricamente possibile. Quindi non c'è niente di meglio di così.
Valutazione di nuovi materiali per fotoelettrodi
L'approccio è stato applicato con successo anche al TiO 2 , un materiale modello, e BiVO 4 , che è attualmente il materiale fotoanodo di ossido di metallo con le migliori prestazioni. "Con questo nuovo approccio, abbiamo aggiunto un potente strumento al nostro arsenale che ci consente di identificare il potenziale realizzabile dei materiali fotoelettrodi. Si spera che l'implementazione di questo su nuovi materiali acceleri la scoperta e lo sviluppo del fotoelettrodo ideale per la scissione dell'acqua solare. Ci consentirebbe anche di "fallire rapidamente", che è probabilmente altrettanto importante quando si sviluppano nuovi materiali assorbenti, "dice Federico.
