Fotosintesi artificiale migliorata per celle a combustibile

Un team formato da ingegneri e ricercatori dei laboratori nazionali Lawrence Livermore e Lawrence Berkeley – in collaborazione con l’Università del Michigan – hanno realizzato un dispositivo di fotosintesi artificiale di silicio e nitruro di gallio (Si/GaN) capace di raddoppiare l’efficienza e la stabilità delle celle a combustibile attuali.

Lo sviluppo di un fotoelettrodo efficiente ma durevole è di fondamentale importanza per lo sviluppo della produzione di combustibile attraverso la fotosintesi.

Nello studio di ricerca viene riportato il comportamento foto-elettro-chimicamente auto-migliorante di un fotocatodo di Si/GaN attivo per la produzione di idrogeno con un’efficienza faradica che si avvicina al ~100% senza l’uso di alcun elettrocatalizzatore. Utilizzando un approccio correlativo basato su diverse tecniche spettroscopiche e microscopiche, nonché calcoli della teoria della densità funzionale, la ricerca fornisce una comprensione meccanicistica della trasformazione chimica che è l’origine del comportamento di auto-miglioramento del materiale Si/GaN.

In condizioni operative, i fotocatodi Si/GaN sono soggetti a una trasformazione chimica sulla superficie GaN che fornisce protezione e migliora le prestazioni foto-elettro-chimiche, aggiungendo siti catalitici attivi per le reazioni di evoluzione dell’idrogeno. Un sottile strato di ossinitruro di gallio si forma sulle pareti laterali dei grani di nitruro di gallio, tramite una parziale sostituzione dell’ossigeno nei siti di azoto, mostrando una maggiore densità di siti catalitici per la reazione di evoluzione dell’idrogeno.

Bibliografia scientifica di riferimento: “Development of a photoelectrochemically self-improving Si/GaN photocathode for efficient and durable H2 production” by Guosong Zeng, Tuan Anh Pham, Srinivas Vanka, Guiji Liu, Chengyu Song, Jason K. Cooper, Zetian Mi, Tadashi Ogitsu and Francesca M. Toma, 5 April 2021, Nature Materials. DOI: 10.1038/s41563-021-00965-w

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