FANDOM


La fotoproduzione di idrogeno, ossia l'idea di scindere l'acqua per ottenere H2 e O2 molecolari viene dagli studi sulla fotosintesi naturale. Le foglie sono capaci di assorbire la radiazione solare e di utilizzare l'energia assorbita per attivare le reazioni di ossido-riduzione, catalizzate da enzimi molecolari specifici, che portano alla produzione di H2 e O2.

La reazione (semplificata) è questa:

2 H2O(l) + 572 kJ/mol →  2 H2(g) + O2(g)
CRENC Fotoproduzioneidrogeno

Schema di funzionamento di una cella fotoelettrochimica e di una cella a idrogeno

Richiede un'energia pari a 286 kJ/mol per ogni coppia di moli di idrogeno molecolare e di ossigeno prodotte. A sua volta l'H2 viene ulteriormente utilizzato per reazione con la CO2 a dare il vero combustibile, ossia lo zucchero che nutre la pianta. Le foglie ricavano tutta l'energia necessaria a questi processi proprio dalla fotosintesi.

Ad imitazione di questo fenomeno complesso i ricercatori di tutto il mondo esplorano vie artificiali per mimare la fotosintesi e produrre idrogeno a basso costo, per utilizzarlo poi come vettore o come magazzino di energia.

L'idrogeno quindi deve essere considerato una forma di immagazzinamento energetico e non una fonte primaria di energia dato che, per la sua tendenza ad ossidarsi spontaneamente, la sua presenza in forma libera sulla superficie terrestre è praticamente nulla. Deve perciò essere prodotto artificialmente spendendo energia a partire da fonti energetiche primarie.

L'idrogeno può essere ottenuto con un guadagno netto di energia a partire da fonti fossili, come il metano, però si tratta di fonti energetiche non rinnovabili cioè destinate comunque ad esaurirsi nel tempo ed in più con emissioni dirette di CO2 ed altri sottoprodotti, quindi non pulita.

Attualmente l'idrogeno elementare ha un costo di produzione, in termini energetici, molto più elevato di quello della sua combustione per ottenere energia, e per questo numerosi centri ricerche in tutto il mondo stanno investendo risorse per individuare metodi di produzione alternativi ed economicamente accettabili. La produzione di idrogeno per mezzo dell'energia solare (fotoproduzione) e' una delle grandi frontiere della ricerca sul solare avanzato. Questa tecnologia potrebbe costituire un sistema di immagazzinamento dell'energia solare - per sua natura intermittente.

La conversione dell'energia solare consente di realizzare la dissociazione dell'acqua con la mediazione di particolari materiali (semiconduttori) in grado di assorbire la radiazione e produrre cariche elettriche necessarie per la reazione chimica di "[splitting dell'acqua]". Si comprende, dunque, che la ricerca scientifica per la produzione di idrogeno solare è rivolta allo studio dei materiali semiconduttori che sappiano esprimere alte conversioni "fotoni -> elettroni".

Ad oggi, i materiali che meglio sanno convertire le componenti piú energetiche dello spettro solare in corrente elettrica e che presentano la migliore stabilità in soluzione acquosa sono gli ossidi di alcuni metalli (TiO2; WO3; Fe2O3) ma molte combinazioni di materiali innovativi sono in fase di studio.

Le tecniche di preparazione di foto elettrodi estesi sono le più varie: la via chimica detta sol-gel; la via spray o CVD; la via elettrochimica, le deposizioni che sfruttano principi fisici (PLD; PED; ALD). Un aspetto di principale rilevanza è che la via di sintesi sappia realizzare materiali con morfologie su scala nanometrica. La nano struttura, infatti, consente sia di esporre un'alta superficie del materiale che deve reagire con la fase acquosa, sia di definire piccoli domini in cui sono generate e trasportate le cariche elettriche. La dimostrazione del processo di "fotosplitting dell'acqua" avviene in una cella foto elettrochimica in cui l'anodo può essere costituito da un materiale fotoattivo ed il catodo da un filo conduttore. Con una cella foto elettrochimica è possibile misurare la fotocorrente prodotta che circola nel sistema completo. Dal dato di fotocorrente si può valutare l'idrogeno prodotto e si può calcolare la resa del processo globale.

Negli ultimi anni sono stati sintetizzati alcuni materiali, tra cui biossido di titanio e ossido di tungsteno in forma di nanotubi, per la conversione della luce in energia chimica nel ciclo di scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno. Proprio in Italia, presso l'Istituto ENI-Donegani di Novara, sono stati preparati elettrodi foto attivi per la realizzazione di celle foto-elettrochimiche con cui è stata decomposta l'acqua per effetto dell'irraggiamento solare, che lavorano all'aperto producendo ossigeno e idrogeno allo stato gassoso.

Le tecniche di preparazione dei fotoelettrodi possono essere varie: la via chimica; la via spray o CVD; la via anodica. Un aspetto di principale rilevanza è che la via di sintesi sappia realizzare materiali con morfologie su scala nanometrica. Infatti, la nanostruttura consente sia di esporre un’alta superficie del materiale che deve reagire con la fase acquosa, sia di definire piccoli domini in cui sono generate e trasportate le cariche elettriche. La dimostrazione del processo di “fotosplitting dell’acqua” avviene in una cella foto elettrochimica in cui l’anodo è costituito da un materiale fotoattivo ed il catodo da un filo platinato. Con una cella foto elettrochimica è possibile misurare la fotocorrente prodotta che circola nel sistema completo. Dal dato di fotocorrente si valuta l’idrogeno prodotto e si calcola la resa del processo globale.

Negli utlimi anni sono stati sintetizzati alcuni materiali, tra cui biossido di titanio e ossido di tungsteno in forma di nanotubi, per la conversione della luce in energia chimica nel ciclo di scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno. Proprio in Italia sono stati preparati i componenti (fotoanodo) per la realizzazione di una cella foto-elettrochimica con cui è stata decomposta l'acqua per effetto dell'irraggiamento luminoso producendo ossigeno e idrogeno allo stato gassoso.

Collegamenti esterniModifica

Collegamenti interni Modifica