Dispositivi a forma di foglia sufficientemente leggeri da galleggiare sull'acqua potrebbero essere utilizzati per generare combustibile da parchi solari situati su fonti d'acqua libere: una strada mai esplorata prima, secondo i ricercatori dell'Università di Cambridge nel Regno Unito che li hanno sviluppati. I nuovi dispositivi sono costituiti da substrati sottili e flessibili e strati che assorbono la luce a base di perovskite, e i test hanno dimostrato che possono produrre idrogeno o gas di sintesi (una miscela di idrogeno e monossido di carbonio) mentre galleggiano sul fiume Cam.
Le foglie artificiali come queste sono un tipo di cella fotoelettrochimica (PEC) che trasforma la luce solare in energia elettrica o combustibile imitando alcuni aspetti della fotosintesi, come la scissione dell'acqua nei suoi costituenti ossigeno e idrogeno. Questo è diverso dalle celle fotovoltaiche convenzionali, che convertono la luce direttamente in elettricità.
Poiché le foglie artificiali PEC contengono sia componenti di raccolta della luce che di catalisi in un unico dispositivo compatto, in linea di principio potrebbero essere utilizzate per produrre combustibile dalla luce solare in modo economico e semplice. Il problema è che le attuali tecniche per realizzarli non possono essere ampliate. Inoltre, sono spesso composti da materiali sfusi fragili e pesanti, il che ne limita l'utilizzo.
Nel 2019 un team di ricercatori guidati da Erwin Reisner ha sviluppato una foglia artificiale che produce gas di sintesi dalla luce solare, dall'anidride carbonica e dall'acqua. Questo dispositivo conteneva due assorbitori di luce e catalizzatori, ma incorporava anche uno spesso substrato di vetro e rivestimenti per proteggerlo dall'umidità, il che lo rendeva ingombrante.
Nuova versione leggera
Per realizzare la nuova versione più leggera, Reisner e colleghi hanno dovuto superare diverse sfide. Il primo consisteva nell'integrare assorbitori di luce e catalizzatori in substrati resistenti alle infiltrazioni d'acqua. Per fare questo, hanno scelto un ossido metallico a film sottile, il vanadato di bismuto (BiVO4) e semiconduttori fotoattivi noti come perovskiti agli alogenuri di piombo, che possono essere rivestiti su fogli flessibili di plastica e metallo. Hanno poi coperto i dispositivi con polietilene tereftalato idrorepellente dello spessore di un micron. Il risultato è stata una struttura che funziona e sembra una vera foglia.
"Abbiamo posizionato gli assorbitori di luce al centro dei dispositivi, per proteggerli dall'acqua", spiega Reisner. “In particolare, la perovskite sensibile all’umidità deve essere completamente isolata”.
I catalizzatori sono depositati su entrambi i lati del dispositivo. Le perovskiti e BiVO4 raccolgono la radiazione solare, ma invece di produrre elettricità come un pannello fotovoltaico, utilizzano l’energia raccolta per alimentare una reazione chimica con il supporto di catalizzatori. “Questo ci consente essenzialmente di portare la chimica su un pannello solare – nel nostro caso, convertendo il gas serra anidride carbonica con acqua per produrre gas di sintesi, un importante vettore energetico industriale”, dice Reisner Mondo della fisica.
I ricercatori hanno testato le loro foglie galleggianti sul fiume Cam a Cambridge e hanno scoperto che convertono la luce solare in combustibili con la stessa efficienza delle foglie naturali delle piante. Infatti, un dispositivo contenente un catalizzatore al platino ha raggiunto un'attività di 4,266 μmolH2 g-1 h-1.
Fattorie per la sintesi di carburante
“I parchi solari sono diventati popolari per la produzione di elettricità; immaginiamo aziende agricole simili per la sintesi del carburante”, afferma un membro del team Virgilio Andrei. “Questi potrebbero rifornire insediamenti costieri, isole remote, coprire stagni industriali o evitare l’evaporazione dell’acqua dai canali di irrigazione”.
Il flusso del liquido è indirizzato su una superficie ispirata alle foglie di conifere
"Molte tecnologie di energia rinnovabile, comprese le tecnologie di combustibile solare, possono occupare grandi quantità di spazio sulla terra, quindi spostare la produzione in acque libere significherebbe che l'energia pulita e l'uso del territorio non sono in competizione tra loro", aggiunge Reisner. “In teoria, potresti arrotolare questi dispositivi e metterli quasi ovunque, in quasi tutti i paesi, il che aiuterebbe anche con la sicurezza energetica”.
I ricercatori affermano che ora lavoreranno per ampliare e migliorare l’efficienza e la stabilità dei loro dispositivi. "Il nostro team sta anche studiando nuovi catalizzatori per ampliare la portata della chimica delle foglie artificiali per consentirci di realizzare altri prodotti da abbondanti materie prime e, idealmente, a lungo termine, da molte sostanze chimiche diverse su richiesta", afferma Reisner.
Il presente studio è dettagliato in Natura.
