Riassunto:
I ricercatori hanno recentemente sviluppato un nuovo dispositivo "foglia artificiale" ispirato alle foglie naturali, che può utilizzare la luce solare per produrre idrogeno pulito direttamente dall'acqua di mare inquinata e allo stesso tempo decomporre l'idrazina tossica e inquinante nelle acque reflue industriali, realizzando contemporaneamente le due funzioni di produzione di energia e purificazione dell'acqua. Questo risultato è stato pubblicato sulla rivista "Nature Communications" e si ritiene fornisca una nuova idea più efficiente e sostenibile per la futura produzione di energia verde da idrogeno.
L'idrogeno è ampiamente considerato come una delle più importanti fonti di energia pulita del futuro, ma il tradizionale processo di produzione dell'idrogeno spesso richiede una grande quantità di energia. Il metodo più comune attualmente è l’elettrolisi dell’acqua, che utilizza la corrente elettrica per dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno. Tuttavia, la maggior parte dei sistemi di elettrolisi si basa su preziose risorse di acqua dolce. Sebbene l’acqua di mare sia abbondante, è difficile utilizzarla direttamente perché contiene una grande quantità di ioni cloruro. Gli ioni cloruro non solo riducono l'efficienza della reazione, ma possono anche produrre sottoprodotti della clorazione corrosivi e tossici, causando danni alle apparecchiature.
Per superare questi problemi, un gruppo di ricerca della Nanyang Technological University di Singapore ha progettato un nuovo dispositivo alimentato dalla luce. Il dispositivo può raccogliere l'energia solare proprio come le foglie delle piante eseguono la fotosintesi e convertire l'energia luminosa direttamente nell'energia elettrica necessaria per innescare le reazioni chimiche senza la necessità di ulteriore supporto di alimentazione esterna.
Il gruppo di ricerca ha introdotto un catalizzatore composto da ferro, cobalto e cromo nella parte anodica del dispositivo. Il catalizzatore scompone l'idrazina, una sostanza chimica altamente tossica comunemente presente nelle acque reflue industriali, in idrogeno e azoto. Rispetto alla reazione che produce ossigeno nei tradizionali processi di elettrolisi dell’acqua, questo processo di ossidazione dell’idrazina richiede meno energia, quindi può migliorare significativamente l’efficienza complessiva della produzione di idrogeno. Allo stesso tempo, l'idrazina come inquinante viene efficacemente rimossa, realizzando la funzione di purificazione delle acque reflue.
I ricercatori affermano che questo design apporta doppi vantaggi. Da un lato, il catodo utilizza la luce solare per spingere l’acqua di mare a produrre idrogeno; d'altro canto, l'anodo produce anche ulteriore idrogeno mentre processa la dannosa idrazina, aumentando così la produzione totale di idrogeno del sistema. Inoltre, il catalizzatore ha un'eccellente resistenza alla corrosione e le sue proprietà elettriche, fisiche e chimiche possono essere regolate in base ai diversi requisiti applicativi.
Ancora più importante, questo meccanismo di reazione può anche inibire in modo significativo la generazione di sottoprodotti nocivi del cloruro durante l'elettrolisi dell'acqua di mare. A causa della ridotta generazione di sostanze corrosive e tossiche, si prevede un miglioramento della stabilità operativa e della durata delle apparecchiature.
Nella parte relativa alla conversione fotoelettrica, i ricercatori hanno utilizzato materiali di perovskite agli alogenuri di piombo per realizzare catodi. Questo tipo di materiale semiconduttore ha attirato l'attenzione diffusa negli ultimi anni a causa della sua elevata efficienza nell'assorbire l'energia luminosa e nel convertirla in energia elettrica. Per evitare che il materiale si degradi a causa dell’ambiente dell’acqua di mare, il team lo ha protetto utilizzando resina epossidica conduttiva contenente particelle di argento e rame, nonché un foglio di titanio.
I risultati sperimentali mostrano che il dispositivo può generare corrente in modo stabile sia in campioni di acqua di mare simulata che in campioni di acqua di mare reali. La sua densità di fotocorrente raggiunge i 25 milliampere per centimetro quadrato, che è al livello più alto tra i risultati attualmente riportati del fotocatodo di perovskite a base di piombo, indicando la sua eccellente capacità di conversione dell'energia solare.
Anche il test di stabilità ha dato buoni risultati. In condizioni equivalenti all'intensità della luce solare naturale in una giornata limpida, il dispositivo ha funzionato ininterrottamente per più di 72 ore e le sue prestazioni rimangono stabili. Allo stesso tempo, le concentrazioni di idrazina sono state ridotte da 0,5 moli per litro a 0,5 parti per miliardo (ppb), ben al di sotto del limite di sicurezza di 10 ppb stabilito dalla Environmental Protection Agency degli Stati Uniti.
Il team di ricerca ritiene che questa tecnologia dimostri la fattibilità dell'utilizzo dell'energia solare per spingere direttamente l'acqua di mare a produrre idrogeno e contemporaneamente trattare le sostanze inquinanti. Successivamente, intendono espandere ulteriormente l’ambito di applicazione della piattaforma per consentirle di gestire più tipi di inquinanti ed esplorare la possibilità di convertire i rifiuti in combustibili o prodotti chimici industriali, promuovendo così lo sviluppo integrato di energia verde e tecnologie di gestione ambientale.
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