Nanoconi di silicio per produrre idrogeno pulito


    Un gruppo di ricercatori americani ha sviluppato una nuova tecnologia per produrre combustibile pulito per l’autotrazione e immagazzinare l’energia.

     

    Gli ingegneri dell’università di Stanford hanno creato matrici di nanoconi di silicio per catturare la luce solare e migliorare le prestazioni delle celle solari a base di bismuto vanadato. Credits: Wei Chen e Yongcai Qiu, StanfordImmagine 1 - Gli ingegneri dell’università di Stanford hanno creato matrici di nanoconi di silicio per catturare la luce solare e migliorare le prestazioni delle celle solari a base di bismuto vanadato (1 μm = 1.000 nanometri). Credits: Wei Chen e Yongcai Qiu, Stanford

    I ricercatori hanno descritto le scoperte in due studi pubblicati questo mese nelle riviste Science Advances e Nature Communications.

     

     

    L’idrogeno come combustibile

    L’idrogeno come combustibile è stato a lungo propagandato come un combustibile pulito alternativo alla benzina. Le case automobilistiche hanno iniziato a immettere sul mercato americano automobili alimentate a idrogeno l'anno scorso, ma solo una manciata di veicoli sono stati venduti soprattutto perché la rete di stazioni di rifornimento di idrogeno non è affatto sviluppata.

     

    «Milioni di automobili potrebbero essere alimentate a idrogeno se tale combustibile fosse conveniente e ampiamente disponibile» scrive Yi Cui, professore associato di  ingegneria e scienza dei materiali a Stanford.

    Le auto a idrogeno, a differenza dei veicoli alimentati a benzina, non emettono anidride carbonica (CO2).

     

    Sfortunatamente il processo per produrre idrogeno da utilizzare come combustibile non è a zero emissioni: attualmente la maggior parte dell’idrogeno prodotto implica l’utilizzo di gas naturale in un processo che rilascia CO2 nell'atmosfera.

    Innovare il processo di elettrolisi dell'acqua con le nanotecnologie

    Per risolvere il problema, il prof. Cui e i suoi colleghi si sono concentrati sulla realizzazione di un innovativo processo di elettrolisi dell’acqua attraverso l’impiego di celle solari fotovoltaiche.

     

    Questa tecnologia emergente è costituita da un elettrodo immerso in acqua alimentato da energia solare. Quando la luce del sole colpisce l'elettrodo viene generata una corrente elettrica che scinde l'acqua nelle sue parti costituenti, idrogeno e ossigeno.

     

    Illustrazione schematica del meccanismo di assorbimento ottico e trasporto degli elettroni attraverso il vanadato di bismuto BiVO4 sul substrato piatto e il substrato conduttivo di nanoconi. Credits: Science AdvancesImmagine 2 - Illustrazione schematica del meccanismo di assorbimento ottico e trasporto degli elettroni attraverso il vanadato di bismuto BiVO4 sul substrato piatto e il substrato conduttivo di nanoconi. Credits: Science Advances 17 Jun 2016: Vol. 2, no. 6, e1501764.

     

     

     

    Produrre idrogeno dall'acqua in modo pulito è stata la sfida più difficile

    Per i ricercatori trovare un modo economico per produrre idrogeno pulito dall'acqua è stata una sfida significativa.

     

    Gli elettrodi solari convenzionali realizzati in silicio si corrodono rapidamente quando entrano in contatto con l’ossigeno, sottoprodotto chiave della scissione dell'acqua. Diversi gruppi di ricerca hanno ridotto la corrosione degli elettrodi in silicio utilizzando un rivestimento di iridio e di altri metalli preziosi.

    Nuovo approccio per contrastare la corrosione degli elettrodi di silicio

    Nell’articolo pubblicato su Science Advances il team coordinato dal prof. Cui ha descritto un nuovo approccio per la risoluzione del problema attraverso l’utilizzo del vanadato di bismuto, un composto poco costoso che assorbe la luce solare e genera valori contenuti di elettricità.

     

    «Il vanadato di bismuto è stato ampiamente considerato come un materiale promettente per la scissione fotoelettrochimica dell’acqua, in parte a causa del suo basso costo e dell’elevata resistenza alla corrosione» scrive il prof Cui. «Tuttavia, le prestazioni di questo materiale restano ben al di sotto della sua efficienza teorica di conversione solare-idrogeno» prosegue il ricercatore.

    Il vanadato di bismuto assorbe la luce ma è anche un cattivo conduttore di elettricità.

    Per ottenere il passaggio di corrente, una cella solare di vanadato di bismuto deve essere molto sottile, 200 nanometri o meno; tale spessore rende il dispositivo praticamente trasparente.

    Evitare la dispersione della luce visibile attraverso i nanoconi di silicio

    Per evitare quindi la dispersione della luce visibile attraverso lo strato trasparente della cella solare il team di ricercatori ha fatto ricorso alla nanotecnologia. I ricercatori hanno infatti creato microscopiche matrici contenenti migliaia di nanoconi di silicio, ciascuno con un’altezza di circa 600 nanometri.

     

    «Le strutture di nanoconi hanno dimostrato una capacità di intrappolamento della luce molto promettente per una vasta gamma di lunghezze d'onda» scrive Cui. «Ogni cono è modellato in modo ottimale per catturare la luce solare che altrimenti passerebbe attraverso le sottili celle solari».

    Nell'esperimento, Cui e i suoi colleghi hanno depositato le matrici di nanoconi su un sottile film di vanadato di bismuto.

    Entrambi gli strati sono stati disposti su una cella solare di perovskite, un altro promettente materiale fotovoltaico.

    L'esperimento ha dimostrato una buona stabilità del dispositivo a fronte di un valore di efficienza di conversione solare-idrogeno del 6,2%

    Non appena il dispositivo, composto da tre strati, è stato immerso in acqua ha iniziato immediatamente a scindere l’acqua con un'efficienza di conversione solare-idrogeno del 6,2%, valore di conversione già corrispondente alla velocità massima teorica prevista per una cella di vanadato di bismuto.


    «La cella solare ha continuato a generare idrogeno per più di 10 ore, si tratta di un'indicazione di buona stabilità del dispositivo» dichiara Cui. «Anche se l'efficienza che abbiamo dimostrato è stata soltanto del 6,2%, il nostro dispositivo possiede margini significativi di miglioramento».

    Riprogettare le batterie ricaricabili allo zinco (secondo studio)

    In un secondo studio pubblicato nell'edizione del 6 giugno di Nature Communications, il prof. Cui e il dott. Shougo Higashi (ricercatore dei laboratori di Ricerca e Sviluppo di Toyota), hanno proposto la riprogettazione di una tipica batteria ricaricabile, l’idea potrebbe aiutare a risolvere il problema dello stoccaggio dell’energia derivante dalle fonti rinnovabili.

    «I parchi eolici e fotovoltaici dovrebbero essere in grado di fornire energia 24 ore su 24 anche quando non c'è luce solare o  vento» scrive il prof. Cui. «Per ottenere tale risultato è necessario implementare batterie a basso costo e altre tecnologie in grado di immagazzinare il surplus di energia pulita da utilizzare solo quando necessario».

    Il prof. Cui, il dott. Higashi e i ricercatori che hanno preso parte allo studio hanno progettato una nuova batteria con elettrodi di zinco e nichel, metalli poco costosi, tale dispositivo possiede le potenzialità per lo stoccaggio dell’energia in eccesso da immettere nella rete elettrica su richiesta.

     

    Una batteria allo zinco (Zn) convenzionale (a sinistra) smette di funzionare non appena i dendriti crescono sull’anodo di zinco e si propagano verso il catodo fino a creare il corto circuito. Credits: Shougo Higashi.Immagine 3 - Una batteria allo zinco (Zn) convenzionale (a sinistra) smette di funzionare non appena i dendriti crescono sull’anodo di zinco e si propagano verso il catodo fino a creare il corto circuito. Gli scienziati della Stanford University hanno riprogettato la batteria (a destra) utilizzando isolanti di plastica e carbonio per prevenire la formazione di dendriti allungando così il ciclo di vita della batteria. Credits: Shougo Higashi.

     

    Sul mercato sono già disponibili diverse batterie allo zinco, solo alcune sono ricaricabili poiché durante la fase di ricarica avviene la formazione di dendriti (fibre molto piccole) sull'elettrodo di zinco.

    Tali dendriti possono crescere fino a raggiungere l'elettrodo di nichel mandando così in corto circuito la batteria.

     

    Il team di ricercatori ha risolto il problema della crescita dei dendriti riprogettando la batteria (vedi Immagine 3). Invece di avere gli elettrodi di zinco e di nichel posizionati l’uno di fronte all'altro (come in una batteria convenzionale) i ricercatori hanno inserito un isolante di plastica e allo stesso tempo hanno isolato i bordi dell’elettrodo di zinco con del carbonio.

    «Abbiamo riprogettato la batteria in modo da ridurre gli ioni di zinco che vanno a depositarsi sulla superficie esposta dell'elettrodo di zinco durante la fase di carica» scrive il dott. Higashi, principale autore dello studio. «In questo modo, anche se lo zinco tenderà a formare dendriti, la crescita avverrà il più lontano possibile dall’elettrodo di nichel allungando di molto il ciclo di vita della batteria» prosegue il ricercatore.

    Per dimostrarne la stabilità, i ricercatori hanno caricato e scaricato la batteria allo zinco più di 800 volte senza che andasse in corto circuito.

    «Il nostro design è molto semplice e potrebbe essere applicato a una vasta gamma di batterie» scrive il prof. Cui.



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