Attualmente, il petrolio e i suoi derivati sono alla base della vita di tutti i giorni, ma potrebbe essere sostituito dall’idrogeno come combustibile. Infatti, l’idea di una economia a idrogeno, è in circolazione da decenni. È in ritardo, tuttavia, a causa di due fattori: la mancanza di una struttura di distribuzione per l’idrogeno e la difficoltà nel produrre il gas.
Fotosintesi in provetta
Esistono due modi per produrre idrogeno: decomporre l’acqua nei suoi gas costitutivi, che richiede elettricità; o estrarlo dal gas naturale, che non riduce la dipendenza dai combustibili fossili.
I ricercatori hanno cercato per molti anni di sviluppare un metodo per utilizzare l’energia del Sole per alimentare la decomposizione dell’acqua. Questo per imitare il processo naturale della fotosintesi in base al quale le piante verdi convertono il solare in energia chimica. Ma i trucchi della natura sono, come sempre, difficili da copiare.
Zetian Mi, specialista in informatica e ingegneria elettrica, ha iniziato a lavorare su questo problema mentre era alla McGill University di Montréal. Ora presso l’Università del Michigan, Zetian ha pubblicato un articolo su Nature Communications che descrive un dispositivo in grado di generare una fotosintesi artificiale per la decomposizione dell’acqua.
Fotoni, elettroni e lacune
Il dispositivo è realizzato in silicio e nitruro di gallio, un semiconduttore spesso utilizzato nei LED. Zetian Mi ed i suoi colleghi hanno costruito un “paesaggio urbano nano-dimensionato” di torri di nitruro di gallio su un substrato di wafer di silicio. Quando la luce colpisce le torri, i fotoni colpiscono gli elettroni dalla struttura cristallina, che diventa mobile. Così come le lacune caricate positivamente che lasciano dietro di sé. Sono questi portatori di carica mobile che separano l’idrogeno dalle molecole d’acqua.
Ha dichiarato Faqrul Alam Chowdhury, uno studente di dottorato presso McGill coinvolto nella ricerca:
“Quando questo wafer appositamente progettato viene colpito dai fotoni, il campo elettrico aiuta a separare elettroni e lacune fotogenerate per guidare la produzione di molecole di idrogeno e ossigeno in modo efficiente.”
I precedenti separatori d’acqua solari diretti hanno raggiunto poco più dell’1% dell’efficienza solare-idrogeno stabile in acqua dolce o salata. La squadra di Mi, tuttavia, ha raggiunto un rendimento superiore al 3%.
Per un futuro più pulito
Ha detto Mi:
“Sebbene l’efficienza del 3% possa sembrare bassa, se inserita nel contesto dei 40 anni di ricerca su questo processo, è in realtà un grande passo avanti. La fotosintesi naturale, a seconda di come la si calcola, ha un’efficienza di circa lo 0,6%.”
L’obiettivo del team, mentre la ricerca prosegue, è raggiungere il 5% di efficienza, che considerano la soglia per la commercializzazione. Quindi continuare a migliorare le prestazioni, con l’obiettivo di raggiungere un obiettivo del 20-30%. Un modo per migliorare le prestazioni potrebbe essere quello di utilizzare il supporto di wafer di silicio delle torri di nitruro di gallio per aiutare a catturare i portatori di carica.
Zetian Mi conduce ricerche simili per eliminare il biossido di carbonio dall’ossigeno, per trasformare il carbonio risultante in idrocarburi, come il metanolo e il syngas. Questo percorso di ricerca potrebbe potenzialmente rimuovere l’anidride carbonica dall’atmosfera, proprio come fanno le piante.
Roberto Bovolenta