Nuovi materiali inorganici e ibridi per celle fotoelettrochimiche e fotoelettrosintetiche

Tra le fonti energetiche alternative ai combustibili fossili, come la fissione nucleare, l’eolico, le biomasse e la geotermia, l’energia solare rappresenta senza dubbio quella maggiormente sfruttabile a lungo termine su scala planetaria. Il flusso solare è infatti la risorsa più ampiamente distribuita, praticamente inesauribile e fornisce un surplus energetico pari a ~10.000 volte l'energia che è attualmente consumata in tutto il mondo. I dispositivi basati su semiconduttori forniscono il percorso più diretto verso un processo per la conversione della luce solare in combustibili, poiché l’assorbimento luminoso in fotoelettrodi a gap alto/intermedio (2.8-1.5 eV) genera coppie elettrone-lacuna che possono essere sfruttate, per la separazione della molecola d’acqua in idrogeno e ossigeno:

reazione anodica: 2H2O + 4H+ →O2 + 4H+ E°= 1.23 V vs. NHE
reazione catodica: 4H+ + 4e- →2H2 E°= 0 V vs. NHE

o per condurre reazioni chimiche di foto-ossidazione per la sintesi di composti organici ad alto valore aggiunto, abbinata eventualmente alla produzione di idrogeno.

Tra i semiconduttori sui quali si concentreranno gli sforzi di ricerca, si selezionano materiali in grado di lavorare stabilmente alle diverse condizioni di pH compatibili con i processi di fotoconversione che si andranno a realizzare. WO₃ sarà il materiale di elezione per operare in soluzioni acquose acide, eterointerfacce di WO₃/BiVO₄ saranno destinate all’ambiente neutro e ematite per operare in ambiente basico.

Oltre a questi materiali di base, saranno esplorate, con il supporto di Sinbiosys, SME operante nel campo dei nanomateriali per la fotonica e la conversione energetica, giunzioni di CIS (Copper indium sulfide) (CuInS₂)/MO_x, dove MO_x sarà un ossido metallico trasparente alla regione visibile come TiO₂ o SnO₂, che si prevedono essere interessanti soprattutto per reazioni di foto-ossidazione selettiva di specie organiche per fini sintetici.

Per esempio, saranno esplorate reazioni di valorizzazione di molecole derivate da biomasse, come il 5-idrossimetilfurfurale (HMF), derivato da processi di depolimerizzazione della cellulosa, che può essere ossidato, grazie all’azione ossidante dei fotoanodi proposti, ad acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA). Lo FDCA, è un importante prodotto di valorizzazione della biomassa e può essere usato come materia prima per la sintesi di materiali biodegradabili e compostabili.

L’obiettivo è di sintetizzare semiconduttori di tipo n in grado di generare densità di corrente pari o superiore ai 7mA/cm² (STH (Solar to Hydrogen Conversion) > 8%). Si agirà sull’ottimizzazione delle interfacce utilizzando metodologie preparative “wet” scalabili ad ampie superfici, a basso dispendio energetico e basate su precursori chimici ampiamente disponibili sul mercato a basso costo. Questi semiconduttori saranno impiegabili sia nel processo di water splitting (produzione di O₂ e H₂ a partire da H₂O) sia in processi di ossidazione di sostanze organiche per fini sintetici o di rimediazione ambientale.

I principali semiconduttori studiati in questo progetto saranno ossidi di Tungsteno, di vanadati e di ferro, capaci di assorbire la luce visibile e di funzionare in diverse condizioni di pH. Questi sistemi saranno principalmente utilizzati per l’ossidazione di sostanze organiche, come gli inquinanti e contemporanea produzione di idrogeno.

I CIS possono essere proposti sia in celle solari a basso costo di tipo rigenerativo, sia promuovere reazioni mild di fotoossidazione selettiva di specie organiche per sintesi chimica.
I materiali e i processi più efficienti saranno utilizzati per la realizzazione di un dimostratore da laboratorio, di superficie attiva ca. 25 cm² che vedrà l’integrazione del sistema fotoelettrochimico per la produzione di combustibili con un (eventuale) generatore fotovoltaico. Il dimostratore servirà in processi di public outreach e per attrarre eventuali investitori pubblici o privati, da valutare in collaborazione con Sinbiosys.

L’utilizzo di combustibili per impieghi civili e per l’industria è ancora largamente dominato dalle risorse fossili (almeno per il 75%), particolarmente nei settori del trasporto e del riscaldamento, per lo più basati su petrolio, carbone e gas naturali.

L’idrogeno è quasi completamente assente sia nel sottosuolo che nell’atmosfera. In questo momento la principale tecnica utilizzata per la sua produzione è lo “steam reforming” che prevede l’utilizzo di combustibili fossili.

Il progetto quindi prenderà in considerazione lo sviluppo di materiali fotoanodici scalabili, ottenibili da precursori abbondanti e a basso costo come “harvesters” solari, con cui condurre l’elettrolisi fotoassistita dell’acqua che conduce allo sviluppo di idrogeno, il combustibile “green” per antonomasia.

L’impatto economico dei sistemi proposti diviene infatti ancor più significativo se si considerano reazioni di ossidazione di specie organiche per con il doppio fine di aumentare l’efficienza del dispositivo solare (e di conseguenza aumentare la produzione di idrogeno) e di generare intermedi utili per l’industria utilizzando tecniche “green”.

Sinbiosys S.r.l. - Bologna

Durata: 6 mesi

Instiut Català d'Investigaciò Quimica (ICIQ) - Spagna

Durata: 6 mesi

Il progetto è coerente con l'Ambito di Ricerca e Innovazione 5.6 - "Prodotti alimentari, bioeconomia, risorse naturali, agricoltura, ambiente" del PNR 2021-2027

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