Nuova lega potrebbe produrre idrogeno dalla luce del sole

Grazie a metodi di calcolo teorici, un team di scienziati crede di aver scoperto un nuovo semiconduttore economico da utilizzare come catalizzatore per future celle fotoelettrochimiche, ossia dispositivi che grazie ai raggi solari sono in grado di estrarre l’idrogeno dall’acqua.

Gli scienziati dell’Università del Kentucky e dell’Università di Louisville hanno stabilito che un materiale semiconduttore economico può essere “ottimizzato” per poter generare idrogeno dall’acqua utilizzando la luce solare.

La ricerca, finanziata dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, è stato condotto dai professori Madhu Menon e R. Michael Sheetz presso il Centro per le Scienze Computazionali del Regno Unito, e dal professor Mahendra Sunkara e dal dottorando Chandrashekhar Pendyala presso il Centro di Ricerca Energie Rinnovabili dell’Università di Louisville. I loro risultati sono stati pubblicati il primo di agosto sulla Physical Review Journal.

I ricercatori affermano che le loro scoperte sono un successo per le scienze computazionali, e che potrebbero avere profonde implicazioni per il futuro dell’energia solare.

Utilizzando modelli computazionali allo stato dell’arte, la squadra ha dimostrato che una lega formata da una sostituzione del 2 per cento di antimonio (Sb) nel nitruro di gallio (GaN) ha proprietà elettriche che permetterebbero all’energia della luce solare di dividere le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno, un processo noto come scissione dell’acqua fotoelettrochimica (PEC). Quando la lega è immersa in acqua ed esposta alla luce solare, il legame chimico tra le molecole di idrogeno e ossigeno in acqua è rotto. L’idrogeno può quindi essere raccolto e usato.

“Precedenti ricerche sulla PEC si concentravano sui materiali complessi”, ha detto Menon. “Abbiamo deciso di andare contro la scienza convenzionale e iniziare con alcuni materiali facili da produrre, anche se mancava la corretta disposizione degli elettroni per soddisfare i criteri della PEC. Il nostro obiettivo era quello di vedere se un minimo ‘ritocco’ nella disposizione elettronica di questi materiali ci avrebbe permesso di raggiungere i risultati desiderati.”

Il nitruro di gallio è un semiconduttore che è stato largamente utilizzato per rendere luminosi i led dal 1990. L’antimonio è invece un elemento non metallico la cui domanda è schizzata negli ultimi anni a causa delle applicazioni nel settore della microelettronica. La lega di nitruro di gallio-antimonio (GaN-Sb) è il primo semplice materiale facile da produrre  che può essere considerato un candidato per scissione dell’acqua. I vantaggi di questa lega  è che non si consuma e può essere riutilizzata all’infinito.

L’idrogeno è stato a lungo pubblicizzato come un probabile componente chiave nella transizione verso le fonti energetiche più pulite. Può essere utilizzato nelle celle a combustibile per generare elettricità, bruciato per produrre calore, e utilizzato nei motori a combustione interna per alimentare i veicoli. Quando l’idrogeno brucia, si combina con l’ossigeno per formare il vapore acqueo come unico prodotto di scarto. L’idrogeno ha anche ampie applicazioni nella scienza e nell’industria.

Poiché l’idrogeno puro non si trova in abbondanza sulla Terra, deve essere prodotto da altri composti. Quindi, l’idrogeno non è considerato una fonte di energia, ma piuttosto un “vettore energetico”. Attualmente, ci vuole una grande quantità di energia elettrica per produrre idrogeno dalla scissione dell’acqua. Come conseguenza, la maggior parte dell’idrogeno prodotto oggi è derivato da fonti non rinnovabili come il carbone e gas naturale.

Sunkara dice la nuova lega ha il potenziale per trasformare l’energia solare in un mezzo economico e senza emissioni di carbonio per ottenere l’idrogeno che ci occorre.

“La produzione di idrogeno ora si ottiene solo con una grande quantità di emissioni di CO2”, ha detto Sunkara. “Una volta che questa lega sarà ampiamente disponibile, teoricamente potrebbe essere usata per creare carburante ad emissioni zero per l’alimentazione di case e automobili.”

“La fotocatalisi è attualmente uno dei temi più caldi della scienza”, ha detto Menon. “Ci aspettiamo che il presente lavoro possa avere un grande appeal nella comunità di chimici, fisici e ingegneri”.