I ricercatori progettano fotocatodi semiconduttori organici durevoli con incapsulamento di lamine metalliche

22 settembre 2022

a cura di GIST (Istituto di Scienza e Tecnologia di Gwangju)

L’idrogeno sta emergendo come una popolare alternativa ecologica alle risorse di combustibili fossili grazie ai suoi prodotti di combustione a zero emissioni di carbonio (acqua, elettricità e calore) ed è considerato il carburante di prossima generazione per una società a emissioni zero. Tuttavia, la principale fonte di idrogeno sono, ironicamente, i combustibili fossili.

Un modo per produrre idrogeno in modo pulito e sostenibile è attraverso la scissione dell’acqua guidata dalla luce solare. Il processo, noto come “scissione dell'acqua fotoelettrochimica (PEC)” è alla base del funzionamento delle celle fotovoltaiche organiche. Ciò che rende questo metodo attraente è che consente 1) la produzione di massa di idrogeno in uno spazio limitato senza un sistema di rete e 2) la conversione ad alta efficienza dell’energia solare in idrogeno.

Nonostante tali vantaggi, tuttavia, i materiali fotoattivi utilizzati nei PEC convenzionali non hanno le proprietà richieste per un ambiente commerciale. A questo proposito, i semiconduttori organici (OS) sono emersi come potenziale materiale fotoelettrodico per la produzione commerciale di idrogeno PEC grazie alle loro elevate prestazioni e alla stampa a basso costo. Ma il lato negativo è che i sistemi operativi soffrono di scarsa stabilità chimica e bassa densità di fotocorrente.

Ora, un team di ricercatori guidato dal Prof. Sanghan Lee dell’Istituto di Scienza e Tecnologia di Gwangju, in Corea, potrebbe aver finalmente risolto questo problema. Nella loro recente scoperta apparsa sulla copertina del Journal of Materials Chemistry A, il team ha adottato un approccio basato sull'incapsulamento del fotocatodo del sistema operativo in un foglio di titanio decorato con platino, una tecnica nota come "incapsulamento di un foglio di metallo", per prevenirne la esposizione alla soluzione elettrolitica.

"L'incapsulamento con lamina metallica è un approccio potente per realizzare fotocatodi basati su OS stabili a lungo termine poiché aiuta a impedire la penetrazione degli elettroliti nell'OS, migliorando la loro stabilità a lungo termine, come è stato dimostrato nei nostri studi precedenti e in altri rapporti sull'OS fotoelettrodi", spiega il prof. Lee.

Il team ha fabbricato una cella fotovoltaica organica, in cui il fotocatodo del sistema operativo era ricoperto da un foglio di titanio e nanoparticelle di platino ben disperse. Dopo il test, il fotocatodo OS ha mostrato un potenziale di insorgenza di 1 V rispetto all'elettrodo a idrogeno reversibile (RHE) e una densità di fotocorrente di -12,3 mA cm-2 a 0 VRHE. La cosa più notevole è che la cella ha dimostrato una stabilità operativa record, conservando il 95,4% della fotocorrente massima per oltre 30 ore senza alcun deterioramento evidente del sistema operativo. Inoltre, il team ha testato il modulo sotto la luce solare reale ed è riuscito a produrre idrogeno.

Il modulo PEC altamente stabile ed efficiente sviluppato in questo studio può consentire la produzione su larga scala di idrogeno e ispirare percorsi innovativi per la costruzione di future stazioni di rifornimento di idrogeno. "Con la crescente minaccia del riscaldamento globale, è imperativo sviluppare fonti energetiche ecocompatibili. Il modulo PEC esplorato nel nostro studio potrebbe essere installato nelle stazioni di rifornimento di idrogeno, dove l'idrogeno può essere sia prodotto in serie che venduto allo stesso tempo, " dice il prof. Lee.

Maggiori informazioni: Sehun Seo et al, Un sistema di moduli fotoelettrochimici basati su fotocatodo a semiconduttore organico stabile a lungo termine per la produzione di idrogeno, Journal of Materials Chemistry A (2022). DOI: 10.1039/D2TA02322A