L'utilizzo dell'idrogeno per la produzione di energia non è una novità. Ma con la sua ricerca, Dottorato di ricerca in Scienza e ingegneria dei materiali della Carnegie Mellon University (MSE). il candidato Ajay Pisat spera di sbloccare tutto il suo potenziale come primario, mezzo di stoccaggio dell'energia tradizionale massimizzando l'efficienza della produzione di idrogeno attraverso la fotocatalisi.

Mentre ci sono molte ricerche in corso con la fotocatalisi, Il lavoro di Pisat a livello nanometrico è un primo passo importante che porta a una ricerca su più ampia scala, perché si concentra al livello più basso possibile, il livello strutturale. Passa il suo tempo in laboratorio a progettare la morfologia superficiale dei composti di ossido, ottimizzando le loro aree superficiali per l'evoluzione dell'idrogeno che, a sua volta, aumenta l'efficienza della produzione di idrogeno attraverso la fotocatalisi.

Se Pisat è in grado di ingegnerizzare scientificamente la struttura superficiale del composto di ossido utilizzato dal suo laboratorio:titanato di stronzio, che ha una struttura simile a molti altri composti di ossido, per la massima efficienza, quindi può progettare composti simili che assorbono meglio la luce solare. I ricercatori potrebbero quindi utilizzare questi composti su scala più ampia, su interi sistemi fotocatalitici.

"Riteniamo che sia la struttura del materiale che è vitale per il processo, " dice Pisat. "Ma la chimica del materiale è vitale per l'effettiva funzionalità".

La scienza

Fotocatalisi, generalmente, utilizza la luce in combinazione con materiali catalizzatori per consentire o accelerare le reazioni chimiche. La particolare reazione che comporta la scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno è chiamata scissione fotocatalitica dell'acqua, o produzione di idrogeno fotocatalitico. L'idrogeno prodotto può quindi essere utilizzato per alimentare celle a combustibile o generatori in loco indipendenti dalle reti elettriche basate su infrastrutture, in altre parole, una fonte di energia costante in luoghi in cui quelle reti elettriche non raggiungono.

Due ulteriori vantaggi della continua ricerca sull'energia a idrogeno sono la pulizia e la rinnovabilità dell'energia risultante dall'idrogeno. A differenza delle emissioni di carbonio e dei gas serra che derivano dai combustibili fossili, l'energia dell'idrogeno non produce sottoprodotti nocivi.

Inoltre, la luce solare e l'acqua necessarie per la produzione di idrogeno fotocatalitico sono pressoché infinite. Insieme alla luce del sole e all'acqua, la fotocatalisi richiede un catalizzatore. Un catalizzatore è un materiale che aumenta la velocità di una reazione chimica. Nel processo fotocatalitico, un catalizzatore (più comunemente un composto di ossido) è immerso in acqua. Quando l'acqua è bombardata dalla luce del sole, il catalizzatore provoca una reazione chimica nei punti in cui il composto catalitico viene a contatto con l'acqua. È questa reazione che divide le molecole d'acqua.

Anche se questo può sembrare un processo abbastanza semplice, i ricercatori hanno incontrato alcuni ostacoli che impediscono alla fotocatalisi di produrre il suo massimo potenziale di idrogeno. Uno è l'assorbimento della luce dei catalizzatori composti di ossido. Ad oggi, gli scienziati hanno lottato per trovare un composto appropriato in grado di assorbire la gamma visibile dello spettro solare, che contiene l'energia necessaria per la fotocatalisi. La maggior parte dei composti è molto efficace nell'assorbire i raggi UV, ma quei raggi rappresentano solo il 5% dell'intero spettro luminoso, e alcuni composti assorbono la radiazione infrarossa, che non ha energia sufficiente per la fotocatalisi.

Un'altra sfida è la quantità di idrogeno prodotta da un catalizzatore. La produzione di idrogeno è direttamente correlata alla superficie del catalizzatore.

Come lo spiega Pisat:immagina il tuo cellulare immerso in una vasca d'acqua. Ovunque l'acqua colpisca l'esterno del telefono è dove si verificheranno reazioni chimiche (ad esempio la produzione di idrogeno). Ora immagina di tagliare il tuo cellulare in due pezzi.

"Ora abbiamo esposto altre due superfici, " dice Pisat. "E se continuiamo così, esporremo sempre più superficie per la stessa quantità di massa." Poiché l'acqua viene a contatto con una quantità maggiore della superficie del telefono, verrà prodotto più idrogeno.

Ora prova a immaginare qualcosa di più piccolo di un telefono. Forse, ad esempio, una tazza piena di palline così piccole da sembrare polvere. Immagina di raccogliere solo uno di quei pellet. È quasi come raccogliere un granello di sabbia, solo più piccolo. È qui che Pisat fa il suo lavoro:il nanolivello.

Le reazioni fotocatalitiche in realtà consistono in due reazioni individuali:l'evoluzione dell'idrogeno e la sua controreazione. Diverse strutture superficiali tendono a favorire una reazione rispetto all'altra, riducendo l'efficienza della reazione complessiva. Il lavoro a livello nanometrico di Pisat riguarda il bilanciamento delle aree di quelle singole reazioni utilizzando trattamenti termici economici in modo che la reazione complessiva possa procedere nel modo più efficiente possibile.

L'ispirazione

Sebbene la sua ricerca sia singolare e sorprendentemente mirata, Pisat interpreta il suo lavoro come solo un piccolo tassello di un processo molto più grande. Quel processo più grande potrebbe essere giustamente descritto come una superstrada a sei corsie, ogni corsia correndo verso lo stesso traguardo. Si dà il caso che Pisat abbia trovato la sua strada come studente universitario in India.

Essendo originario di Mumbai, è cresciuto in un mondo che ha influenzato la sua decisione di proseguire la ricerca che ha. "Nella mia vita, " lui dice, "Ho avuto modo di vedere che il clima non è lo stesso. Ho visto degradare la qualità dell'aria durante tutta la mia infanzia". Ogni cinque anni, lui condivide, poteva vedere e sentire la qualità dell'aria che si abbassava intorno a lui.

Quindi, quando è entrato al college, era molto preciso sulla specializzazione che aveva scelto:ingegneria dei materiali. Attraverso i suoi studi, è stato coinvolto nella ricerca sul pulito, energia rinnovabile dall'idrogeno attraverso la fotocatalisi e l'ingegneria dei materiali dei composti di ossido.

Nel perseguire il suo dottorato di ricerca. alla Carnegie Mellon, ha scelto un programma dove avrebbe potuto studiare con nessuno, ma tre professori che conducono ricerche a livello nanometrico sui composti di ossido utilizzati nella fotocatalisi:Gregory Rohrer, Paolo Salvadori, e Maometto Islam. Attualmente, è co-consigliato dai professori Rohrer e Salvador.

Con una visione ampia della sua ricerca e di quella di altri, Pisat apprezza il lavoro che deve ancora essere fatto.

"Potrebbe non essere utilizzato subito perché tutto il resto è così economico, " lui dice, alla domanda sul futuro pratico dell'energia a idrogeno. "Il carbone è così economico. Quindi competere con questo tipo di tecnologie richiederà del tempo".

Mentre, come dice lui, Ci vorrà un po 'di tempo, Pisat ha fatto passi da gigante. "Sto sicuramente facendo molti progressi, " lui dice, in termini di risultati che sta vedendo in laboratorio. "Una volta perfezionata questa tecnica [ottimizzazione della morfologia della superficie], " Aggiunge, "La gente proverà a usarlo per progettare interi sistemi fotocatalitici per rendere la produzione di idrogeno completamente guidata dall'energia solare. Forse allora, dopo cinque o dieci anni, possiamo vederli competere con il gas".