I ricercatori della Nanyang Technological University hanno costruito una foglia artificiale alimentata a energia solare che produce idrogeno dall'acqua di mare e al contempo decompone l'idrazina, un inquinante tossico presente nelle acque reflue industriali.
Un team della Nanyang Technological University (NTU) di Singapore ha presentato una foglia artificiale in grado di produrre idrogeno dall'acqua di mare utilizzando esclusivamente la luce solare. Il dispositivo è anche in grado di distruggere l'idrazina, una sostanza chimica altamente tossica presente in alcune acque reflue industriali. In questo modo, affronta contemporaneamente il problema della produzione di combustibili puliti e della bonifica ambientale.
I ricercatori hanno pubblicato il lavoro su Nature Communications . Il team è stato guidato dalla professoressa Lydia H. Wong della Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali della NTU.
Perché l'acqua di mare è dura
La maggior parte degli elettrolizzatori scinde acqua dolce purificata. L'acqua di mare è molto più abbondante, ma il suo sale crea problemi. Quando viene attraversata da una corrente elettrica, gli ioni cloruro tendono a formare composti di cloro che sono corrosivi e tossici.
Questi composti corrodono gli elettrodi e creano un problema di rifiuti. Di conseguenza, la produzione di idrogeno dall'acqua di mare richiede solitamente prima una costosa desalinizzazione, oppure elettrodi resistenti alla corrosione.
L'approvvigionamento di acqua dolce è già un problema per i previsti centri di produzione di idrogeno nelle regioni costiere aride, tra cui alcune zone dell'Australia, del Medio Oriente e del Nord Africa. L'utilizzo diretto dell'acqua di mare allevierebbe tale pressione. Sarebbe inoltre una soluzione adatta a stati insulari come Singapore, che ha una strategia nazionale per l'idrogeno ma risorse idriche dolci limitate.
Il progetto della NTU aggira gran parte di questi problemi. Il team ha dotato l'anodo di un catalizzatore che scompone l'idrazina in idrogeno e azoto. Allo stesso tempo, la reazione sopprime la formazione di composti del cloro.
Un catodo a perovskite
Dall'altro lato del dispositivo, i ricercatori hanno realizzato il catodo con perovskiti di alogenuri di piombo. Questi materiali cristallini assorbono bene la luce e la convertono in elettricità a basso costo. Negli ultimi dieci anni hanno suscitato un enorme interesse nella ricerca solare. I produttori possono inoltre processarli da soluzione a basse temperature, il che contribuisce a contenere i costi.
In questo caso, il fotocatodo a perovskite ha raggiunto una densità di fotocorrente di 25 milliampere per centimetro quadrato. La densità di fotocorrente misura la quantità di corrente prodotta dal dispositivo per unità di area illuminata. Il team afferma che questo valore è uno dei più alti mai registrati per i catodi a perovskite a base di piombo.
Il dispositivo ha inoltre mantenuto una potenza stabile per oltre 72 ore in condizioni di luce pari alla piena luce solare in una giornata serena. Nel frattempo, ha prodotto idrogeno a una velocità paragonabile a quella di dispositivi simili alimentati a energia solare.
Pulizia dell'acqua durante il funzionamento
Poiché la foglia funziona senza tensione esterna, è autosufficiente dal punto di vista energetico. In parole semplici, la sola luce solare alimenta entrambe le reazioni, senza bisogno di prelevare elettricità dalla rete o da una batteria. Nei test, ha degradato l'idrazina fino a una concentrazione inferiore a una parte per miliardo in circa 30 ore. Di fatto, il dispositivo ha rimosso quasi tutto l'inquinante dalla soluzione di prova.
L'idrazina viene utilizzata nei processi industriali, tra cui la produzione chimica, e come propellente per razzi. È tossica per l'uomo e per gli organismi acquatici, quindi le acque reflue che la contengono necessitano di un trattamento accurato. Un dispositivo in grado di rimuoverla e al contempo produrre carburante potrebbe trasformare i costi di smaltimento in una piccola fonte di valore.
I ricercatori dietro l’innovazione. Da sinistra: il dottor Stener Lie, il dottor Anupam Sadhu, la prof.ssa Lydia H. Wong e il dottor Hao Zhe Chun della Scuola di scienza e ingegneria dei materiali della NTU. Credito: NTU Singapore
Ostacoli prima dell'espansione
I risultati sono stati ottenuti su scala di laboratorio e diverse questioni importanti rimangono aperte. Le perovskiti presentano una debolezza nota: si degradano se esposte a umidità, calore e luce per lunghi periodi. Tre giorni di funzionamento stabile rappresentano un ottimo risultato per questa classe di materiali, sebbene i sistemi commerciali debbano funzionare per anni.
L'utilizzo del piombo solleva inoltre interrogativi per qualsiasi dispositivo progettato per essere immerso in acqua. Gli ingegneri dovrebbero dimostrare che il materiale rimane sigillato per lunghi periodi. Inoltre, l'ampliamento delle dimensioni delle piccole celle di laboratorio a pannelli di grandi dimensioni solitamente riduce l'efficienza.
Tuttavia, questo lavoro si aggiunge a un insieme crescente di approcci per la produzione diretta di idrogeno tramite energia solare, tra cui materiali solari stratificati che accelerano la scissione dell'acqua . Per i siti industriali costieri, produrre idrogeno dall'acqua di mare e al contempo trattare le acque inquinate rappresenta una combinazione interessante. Il prossimo passo è dimostrare che il concetto può essere applicato in condizioni reali al di fuori del laboratorio.
