Per decenni, ricercatori di tutto il mondo hanno cercato modi per utilizzare l'energia solare per generare la reazione chiave per la produzione di idrogeno come fonte di energia pulita, dividendo le molecole d'acqua per formare idrogeno e ossigeno. Però, tali sforzi sono per lo più falliti perché farlo bene era troppo costoso, e cercare di farlo a basso costo ha portato a scarse prestazioni.

Ora, i ricercatori dell'Università del Texas ad Austin hanno trovato un modo a basso costo per risolvere metà dell'equazione, utilizzando la luce solare per separare efficacemente le molecole di ossigeno dall'acqua. Il ritrovamento, pubblicato di recente in Comunicazioni sulla natura , rappresenta un passo avanti verso una maggiore adozione dell'idrogeno come parte fondamentale della nostra infrastruttura energetica.

Già negli anni '70, i ricercatori stavano studiando la possibilità di utilizzare l'energia solare per generare idrogeno. Ma l'incapacità di trovare materiali con la combinazione di proprietà necessarie per un dispositivo in grado di eseguire le principali reazioni chimiche in modo efficiente ha impedito che diventasse un metodo tradizionale.

"Hai bisogno di materiali che siano in grado di assorbire la luce solare e, allo stesso tempo, non si degradano mentre avvengono le reazioni di scissione dell'acqua, " ha detto Edoardo Yu, un professore nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della Cockrell School. "Si scopre che i materiali che sono bravi ad assorbire la luce solare tendono ad essere instabili nelle condizioni richieste per la reazione di scissione dell'acqua, mentre i materiali che sono stabili tendono ad essere poveri assorbitori di luce solare. Questi requisiti contrastanti ti spingono verso un compromesso apparentemente inevitabile, ma combinando più materiali, uno che assorbe efficacemente la luce solare, come il silicio, e un altro che fornisce una buona stabilità, come il biossido di silicio, in un unico dispositivo, questo conflitto può essere risolto."

Però, questo crea un'altra sfida:gli elettroni e le lacune creati dall'assorbimento della luce solare nel silicio devono essere in grado di muoversi facilmente attraverso lo strato di biossido di silicio. Questo di solito richiede che lo strato di biossido di silicio non sia superiore a pochi nanometri, che riduce la sua efficacia nel proteggere l'assorbitore di silicio dalla degradazione.

La chiave di questa svolta è arrivata attraverso un metodo per creare percorsi elettricamente conduttivi attraverso uno spesso strato di biossido di silicio che può essere eseguito a basso costo e scalato a volumi di produzione elevati. Per arrivarci, Yu e il suo team hanno utilizzato una tecnica utilizzata per la prima volta nella produzione di chip elettronici a semiconduttore. Rivestendo lo strato di biossido di silicio con un sottile film di alluminio e quindi riscaldando l'intera struttura, si formano schiere di "picchi" di alluminio su scala nanometrica che collegano completamente lo strato di biossido di silicio. Questi possono quindi essere facilmente sostituiti da nichel o altri materiali che aiutano a catalizzare le reazioni di scissione dell'acqua.

Quando è illuminato dalla luce del sole, i dispositivi possono ossidare in modo efficiente l'acqua per formare molecole di ossigeno e allo stesso tempo generare idrogeno su un elettrodo separato e mostrano un'eccezionale stabilità durante il funzionamento prolungato. Poiché le tecniche impiegate per creare questi dispositivi sono comunemente utilizzate nella produzione di elettronica a semiconduttore, dovrebbero essere facili da scalare per la produzione di massa.

Il team ha presentato una domanda di brevetto provvisoria per commercializzare la tecnologia.

Migliorare il modo in cui viene generato l'idrogeno è fondamentale per il suo emergere come fonte di combustibile praticabile. La maggior parte della produzione di idrogeno oggi avviene attraverso il riscaldamento di vapore e metano, ma questo dipende fortemente dai combustibili fossili e produce emissioni di carbonio.

C'è una spinta verso l'"idrogeno verde" che utilizza metodi più rispettosi dell'ambiente per generare idrogeno. E semplificare la reazione di scissione dell'acqua è una parte fondamentale di questo sforzo.

L'idrogeno ha il potenziale per diventare un'importante risorsa rinnovabile con alcune qualità uniche. Ha già un ruolo importante in importanti processi industriali, e sta iniziando a manifestarsi nell'industria automobilistica. Le batterie a celle a combustibile sembrano promettenti nei trasporti a lungo raggio, e la tecnologia dell'idrogeno potrebbe essere un vantaggio per lo stoccaggio di energia, con la capacità di immagazzinare l'energia eolica e solare in eccesso prodotta quando le condizioni sono mature per loro.

Andando avanti, il team lavorerà per migliorare l'efficienza della porzione di ossigeno della scissione dell'acqua aumentando la velocità di reazione. La prossima grande sfida dei ricercatori è quindi quella di passare all'altra metà dell'equazione.

"Siamo stati in grado di affrontare prima il lato dell'ossigeno della reazione, che è la parte più impegnativa, "Yu ha detto, "ma è necessario eseguire entrambe le reazioni di evoluzione dell'idrogeno e dell'ossigeno per dividere completamente le molecole d'acqua, ecco perché il nostro prossimo passo è guardare all'applicazione di queste idee per creare dispositivi per la parte dell'idrogeno della reazione".