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Un passo avanti verso i carburanti solari generati… dall’aria
I chimici dell’EPFL hanno creato una foglia artificiale e un elettrodo poroso in grado di raccogliere il vapore acqueo e farne idrogeno
Un dispositivo in grado di raccogliere l’acqua dall’aria e fornire combustibile a idrogeno, interamente alimentato dall’energia solare, è stato un sogno dei ricercatori per decenni. Ora, l’ingegnere chimico Kevin Sivula e il suo team al Politecnico Federale di Losanna hanno compiuto un passo significativo per avvicinare questa visione alla realtà.
Hanno sviluppato un sistema semplice che combina la tecnologia basata sui semiconduttori con elettrodi innovativi, caratterizzati da porosità, per massimizzare il contatto con l’acqua nell’aria, e trasparenza, per massimizzare l’esposizione alla luce solare.
Quando esposto alla luce del sole, il dispositivo raccoglie l’acqua dall’aria e produce idrogeno gassoso. I risultati sono stati pubblicati il 4 gennaio 2023 sulla rivista Advanced Materials.
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Kevin Sivula: “Immagazzinare l’energia rinnovabile sotto forma di sostanze chimiche”
Cosa c’è di nuovo? I nuovi elettrodi di diffusione del gas, trasparenti, porosi e conduttivi, permettono di trasformare l’acqua gassosa dell’aria in carburante a idrogeno.
“Per realizzare una società sostenibile, abbiamo bisogno di modi per immagazzinare l’energia rinnovabile sotto forma di sostanze chimiche che possono essere utilizzate come combustibili e materie prime nell’industria. L’energia solare è la forma più abbondante di energia rinnovabile e stiamo cercando di sviluppare modi economicamente competitivi per produrre combustibili solari”, spiega Kevin Sivula del Laboratorio di Ingegneria Molecolare dei Nanomateriali Optoelettronici dell’EPFL.
Ispirazione dalla foglia di una pianta, in collaborazione con la Toyota Motor Europe
Nella loro ricerca sui carburanti rinnovabili privi di fossili, gli ingegneri del Politecnico Federale di Losanna, in collaborazione con la Toyota Motor Europe, si sono ispirati al modo in cui le piante convertono la luce solare in energia chimica, utilizzando l’anidride carbonica presente nell’aria.
Una pianta raccoglie anidride carbonica e acqua dall’ambiente circostante e, grazie all’energia della luce solare, trasforma queste molecole in zuccheri e amidi, immagazzinando l’energia sotto forma di legami chimici.
Gli elettrodi trasparenti per la diffusione del gas sviluppati dal team del dottor Sivula agiscono come una foglia artificiale, raccogliendo l’acqua dall’aria e dalla luce solare per produrre idrogeno gassoso, immagazzinando l’energia solare nei legami di idrogeno.
Invece dei tradizionali elettrodi opachi, il substrato è una rete tridimensionale di fibre di vetro infeltrite, rivestite con materiali semiconduttori per la cattura della luce solare.
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Marina Caretti: “Nuove procedure per elettrodi a diffusione di gas trasparenti”
Marina Caroline Michèle Caretti, autrice principale del lavoro, spiega:
“Sviluppare il nostro prototipo di dispositivo è stato impegnativo, poiché gli elettrodi a diffusione di gas trasparenti non erano mai stati dimostrati scientificamente validi. Abbiamo dovuto sviluppare nuove procedure per ogni fase. Tuttavia, poiché ogni fase è relativamente semplice e scalabile, credo che il nostro approccio aprirà nuovi orizzonti per un’ampia gamma di applicazioni, a partire dalla produzione di idrogeno a energia solare.”
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Dall’acqua all’umidità dell’aria? Ecco il progetto “Sun-to-X” dell’Unione Europea
Kevin Sivula e altri gruppi di ricerca hanno dimostrato in precedenza che è possibile eseguire la fotosintesi artificiale generando idrogeno combustibile da acqua liquida e luce solare utilizzando un dispositivo chiamato cella fotoelettrochimica (PEC).
Tuttavia, i dispositivi PEC tradizionali presentano limitazioni per l’uso su larga scala. L’équipe del Politecnico Federale di Losanna ha adattato questa tecnologia per raccogliere l’umidità dall’aria, sviluppando un nuovo elettrodo a diffusione di gas.
Questo elettrodo trasparente è compatibile con la tecnologia fotoelettrochimica a energia solare ed è progettato per ottimizzare l’assorbimento della luce e la conversione dell’umidità in idrogeno.
Il progetto “Sun-to-X” dell’Unione Europea si concentra sull’ottimizzazione di questi elettrodi e sullo sviluppo di nuovi metodi per convertire l’idrogeno in combustibili liquidi.
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L’efficienza massima teorica di conversione è “solo” del 12 per cento, ma… promettente
Per realizzare elettrodi trasparenti a diffusione di gas, i ricercatori hanno utilizzato fibre di quarzo trasformate in wafer di feltro, rivestiti con una pellicola trasparente di ossido di stagno drogato con fluoro per aumentarne la conduttività e robustezza.
Questo substrato trasparente e poroso è poi ricoperto da materiali semiconduttori che assorbono la luce solare. Esposto alla luce solare, il wafer produce idrogeno combustibile.
Sebbene l’efficienza del prototipo sia inferiore rispetto ai dispositivi PEC a liquido, i ricercatori ritengono che il potenziale massimo di conversione solare-idrogeno sia del 12 per cento, un risultato promettente per applicazioni future.
