L’idrogeno prodotto dalla scissione dell’acqua utilizzando l’energia solare è anche chiamato “idrogeno solare” e rappresenta un possibile futuro combustibile pulito e a basso costo. Sfortunatamente, non è stato ancora ottenuto un efficiente sistema di produzione sotto l’irraggiamento con luce visibile. Pertanto, per il futuro dell’idrogeno solare, fondamentale in scenari di decarbonizzazione, non si può prescindere dallo sviluppo di materiali fotosensibili stabili ed efficienti.
Obiettivo dell’attività di ricerca è lo sviluppo di un sistema di produzione di idrogeno, in modo separato dall’ossigeno, mediante scissione foto-elettrocatalitica dell’acqua e l’ottimizzazione del processo fino al conseguimento di un’efficienza del 6% rispetto alla radiazione incidente. Nel perseguire gli obiettivi prefissati, molta attenzione e gran parte del lavoro sperimentale sono stati focalizzati allo sviluppo di fotoelettrodi realizzati con materiali abbondanti in natura, a minimo impatto ambientale e con basso costo di produzione in modo da agevolare una più veloce ed ampia diffusione della tecnologia. Nel periodo di riferimento è stato possibile produrre separatamente idrogeno dall’ossigeno attraverso la foto-elettrolisi dell’acqua, raggiungendo un valore di efficienza rispetto alla radiazione incidente inferiore all’1%. E’ però importante evidenziare che l’obiettivo del contenimento del costo di produzione, molto importante perché la tecnologia possa essere un efficace supporto al processo di decarbonizzazione, ha fortemente condizionato la scelta dei materiali e di fatto ha penalizzato il conseguimento del valore di efficienza atteso. Infatti, nel tentativo di contenere i costi della tecnologia, gli sforzi sono stati essenzialmente indirizzati verso la realizzazione di fotoelettrodi a film sottile in cui sono state privilegiate formulazioni in grado di promuovere le reazioni agli elettrodi in assenza di platino, catalizzatore della reazione di scissione dell’acqua che di contro avrebbe comportato un netto miglioramento dell’efficienza rispetto alla radiazione incidente con il raggiungimento di valori molto superiori e pari ad almeno il 3%.
Per la realizzazione degli elettrodi da impiegare nella produzione di idrogeno mediante la reazione di scissione fotocatalitica dell’acqua, l’attività di ricerca svolta nell’annualità di riferimento è stata dedicata all’ottimizzazione della deposizione in forma di film dei materiali foto-attivi identificati durante la precedente annualità.
Tra i materiali anodici individuati attraverso lo studio della bibliografia è stato selezionato il BiVO4, che è stato sintetizzato mediante una procedura per combustione, reperita in letteratura ed ottimizzata per consentirne la deposizione in forma di film cristallino e continuo su un idoneo supporto di vetro conduttivo.
Per il materiale catodico, l’attenzione è stata focalizzata sul C3N4, le cui prestazioni come fotocatalizzatore sono state migliorate attraverso la formazione di eterogiunzioni con altri materiali semiconduttori. Come co-catalizzatore è stata utilizzata la fase perovskitica Cs3Bi2Br9, già studiata durante la precedente annualità.
I materiali sono stati depositati per drop casting, utilizzando una matrice polimerica per far aderire il materiale fotocatalitico in forma di polvere al substrato. I materiali in forma di polvere sono stati precedentemente sintetizzati tramite pirolisi in flusso di azoto (il C3N4) e precipitazione da soluzione (il Cs3Bi2Br9).
Per l’ottimizzazione degli elettrodi si è studiato l’effetto della deposizione di diverse quantità di materiale; inoltre, nel caso dei catodi, si è studiato anche l’effetto dell’aumento dell’area superficiale del C3N4 (tramite trattamento termico) e dell’utilizzo come matrice polimerica di un conduttore di ioni idrogeno anziché di un conduttore di elettroni.
Il funzionamento è stato valutato tramite caratterizzazione elettrochimica, mediante letture di potenziale a circuito aperto, voltammetrie cicliche e misure a potenziale costante; la stabilità dei materiali è stata valutata tramite microscopia elettronica a scansione e diffrazione di raggi X.
L’anodo e il catodo più performanti sono stati utilizzati per l’assemblaggio di una cella completa attraverso la quale sono stati prodotti separatamente idrogeno e ossigeno tramite water splitting foto-elettrocatalitico.