Esplorare il ruolo dei difetti dell'ossigeno in una pellicola protettiva di biossido di titanio per massimizzare l'efficienza della produzione di idrogeno

29 maggio 2023

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L’idrogeno sta guadagnando attenzione come fonte di energia pulita ed efficiente. Ma l’idrogeno è davvero ecologico? La maggior parte dell’idrogeno comunemente utilizzato oggi è l’idrogeno grigio derivato da combustibili fossili. Poiché il suo processo di produzione accompagna la generazione di gas serra, si può affermare che l’idrogeno grigio non è ecologico in senso stretto. L’era dell’idrogeno verde senza emissioni di carbonio non è ancora iniziata.

Il Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) ha dimostrato la chiave per la longevità e l’efficienza di un fotoanodo con pellicola protettiva, che viene utilizzato per produrre idrogeno tramite la scissione dell’acqua utilizzando l’energia solare. Si prevede che ciò porterà avanti l’era dell’idrogeno verde rispettoso dell’ambiente.

L’idrogeno verde viene prodotto senza emissioni di carbonio utilizzando fonti energetiche rinnovabili. Un metodo rappresentativo per produrre idrogeno verde è la scissione fotoelettrochimica dell'acqua utilizzando il fotoanodo che è direttamente immerso nell'elettrolita e può assorbire la luce solare. Di conseguenza, il fotoanodo divide direttamente l’acqua a contatto in idrogeno e ossigeno utilizzando l’energia solare assorbita. Tuttavia, poiché il fotoanodo è a diretto contatto con l'elettrolita, è soggetto a corrosione superficiale. Sulla superficie sono stati depositati rivestimenti protettivi per prevenire la corrosione superficiale.

Tipicamente, i materiali a base di ossido come il biossido di titanio (TiO2) vengono utilizzati come pellicole protettive per i fotoanodi. Sebbene i materiali a base di ossido siano cattivi conduttori di elettricità, la loro conduttività può essere modulata quando si formano difetti di ossigeno, che fungono da canale per il trasporto di carica. La chiave per prolungare la durata dei fotoanodi è sviluppare una pellicola protettiva sufficientemente resistente da prevenire la corrosione degli elettrodi e in grado di mantenere una conduttività elettrica ottimale.

KRISS ha sviluppato la prima tecnologia al mondo per modulare sistematicamente i livelli di difetti di ossigeno in una pellicola protettiva di biossido di titanio (TiO2) del fotoanodo per massimizzare l'efficienza della produzione di idrogeno. Per esplorare il ruolo dei difetti dell'ossigeno nel meccanismo di trasferimento di carica, il team di ricerca ha determinato i livelli ottimali di difetti che massimizzano la durata della vita del fotoanodo e la produzione di idrogeno utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X e l'analisi elettrochimica

A differenza degli studi precedenti che si basavano sui difetti di ossigeno formatisi spontaneamente nella pellicola protettiva durante il processo di produzione, questa ricerca propone un metodo di produzione diretto che controlla i livelli di difetti di ossigeno, consentendo la produzione di massa.

Secondo i risultati sperimentali, il fotoanodo senza pellicola protettiva ha mostrato una rapida degradazione della durata nel giro di un’ora, facendo scendere l’efficienza di produzione dell’idrogeno al di sotto del 20% rispetto allo stato iniziale. Il fotoanodo con pellicola protettiva ottimizzata, invece, ha mantenuto anche dopo 100 ore un'efficienza di produzione di idrogeno superiore all'85%.