Fotoelettrochimica e scissione solare dell’acqua

E se si potesse usare direttamente la luce del Sole per spezzare l’acqua e produrne idrogeno, un combustibile pulito? È il sogno della fotoelettrochimica: un materiale che, illuminato, mette in moto le reazioni che normalmente richiederebbero elettricità, imitando in modo artificiale ciò che fanno le foglie con la fotosintesi.

Vediamo come un semiconduttore immerso in una soluzione può sfruttare la luce per separare cariche e far avvenire reazioni, e perché questo apre la strada all’idrogeno solare.

Quando la luce muove le reazioni

La fotoelettrochimica studia ciò che accade quando un elettrodo fatto di materiale semiconduttore viene immerso in una soluzione e illuminato. La luce, come in una cella solare, libera cariche all’interno del semiconduttore; ma invece di limitarsi a generare corrente, queste cariche vengono usate per far avvenire reazioni chimiche all’interfaccia con la soluzione. È un ponte fra l’energia solare e la chimica.

Cariche separate dalla luce

Quando un fotone abbastanza energetico colpisce il semiconduttore, promuove un elettrone lasciando dietro di sé un “buco” positivo: si crea una coppia di cariche opposte. La struttura particolare dell’interfaccia fra semiconduttore e soluzione fa sì che queste due cariche vengano spinte in direzioni opposte invece di ricombinarsi: gli elettroni da una parte, i buchi dall’altra. È questa separazione che permette di sfruttarle per due reazioni distinte.

Spezzare l’acqua con il Sole

L’applicazione più ambita è la scissione dell’acqua. I buchi positivi, che sono fortemente ossidanti, strappano elettroni alle molecole d’acqua liberando ossigeno; gli elettroni, condotti all’altro elettrodo, riducono l’acqua liberando idrogeno. Il risultato è la separazione dell’acqua nei suoi due elementi usando come unica fonte di energia la luce solare: un modo per immagazzinare l’energia del Sole sotto forma di un combustibile.

2 H₂O  +  luce  →  2 H₂  +  O₂

Perché è difficile

La sfida è trovare un semiconduttore con tutte le qualità giuste insieme: deve assorbire bene la luce solare, deve avere i livelli di energia adatti a compiere entrambe le reazioni, deve resistere alla corrosione in acqua e durare a lungo, e deve essere economico. Pochissimi materiali soddisfano tutti questi requisiti contemporaneamente: spesso quelli che assorbono bene la luce si corrodono, e quelli stabili assorbono male. È questo compromesso a tenere la tecnologia ancora lontana dall’uso pratico su larga scala.

Le strategie per riuscirci

Per aggirare il problema si usano diverse strategie. Si combinano due materiali diversi, uno per ciascuna reazione, ognuno ottimizzato per il suo compito. Si aggiungono catalizzatori sulla superficie per accelerare le reazioni, che altrimenti sarebbero lente. Si proteggono i semiconduttori fragili con sottili strati trasparenti che li riparano dalla corrosione senza bloccare la luce. E si sperimentano architetture nanostrutturate che catturano più luce e separano meglio le cariche.

La fotosintesi artificiale

L’obiettivo più ampio della fotoelettrochimica è la cosiddetta fotosintesi artificiale: imitare le piante, che usano la luce per trasformare acqua e anidride carbonica in sostanze ricche di energia. Oltre all’idrogeno, si studia come usare la luce per trasformare l’anidride carbonica in combustibili o sostanze utili, chiudendo il ciclo del carbonio. È una frontiera affascinante perché promette di immagazzinare l’energia solare in legami chimici stabili, superando il limite delle batterie e trasformando la luce in carburante. I progressi sono costanti, anche se trasformare questi principi in impianti efficienti ed economici resta una delle grandi sfide aperte della chimica dell’energia.

Due modi di catturare la luce

Esistono due grandi famiglie di approcci alla fotoelettrochimica, utili da distinguere. Nel primo, il semiconduttore stesso assorbe la luce e compie la reazione: è la configurazione più diretta, in cui un solo materiale fa tutto, ma richiede di trovare quel raro semiconduttore che riunisce tutte le qualità necessarie. Nel secondo, il compito di assorbire la luce è affidato a un colorante o a un materiale assorbente separato, che cattura i fotoni e cede le cariche al sistema, un po’ come avviene nelle celle solari a colorante. Questo permette di scegliere indipendentemente il miglior assorbitore di luce e il miglior catalizzatore, scomponendo il problema in parti più gestibili. In entrambi i casi conta moltissimo l’architettura su scala nanometrica dei materiali: strutturando la superficie in modo da offrire più area e percorsi brevi alle cariche, si riduce la probabilità che elettrone e buco si ricombinino prima di reagire, dispersione che è la principale causa di perdita di efficienza. La ricerca di geometrie nanostrutturate intelligenti è quindi importante quanto la scelta dei materiali, e i due aspetti vanno progettati insieme.

Domande frequenti

Che cos’è la fotoelettrochimica?

È lo studio delle reazioni elettrochimiche innescate dalla luce su un elettrodo semiconduttore immerso in soluzione. La luce separa cariche nel materiale, che vengono usate per ossidare o ridurre le sostanze in soluzione: un ponte fra energia solare e chimica.

Come si spezza l’acqua con la luce?

La luce crea nel semiconduttore coppie di cariche opposte. I buchi positivi ossidano l’acqua liberando ossigeno; gli elettroni, condotti all’altro elettrodo, la riducono liberando idrogeno. Il risultato è la separazione dell’acqua nei suoi elementi usando solo la luce solare.

Perché è una tecnologia difficile?

Perché serve un semiconduttore che assorba bene la luce, abbia i livelli di energia giusti, resista alla corrosione in acqua e costi poco, tutto insieme. Pochissimi materiali riuniscono queste qualità: spesso chi assorbe bene si corrode, e chi è stabile assorbe male.

Che cos’è la fotosintesi artificiale?

È l’idea di imitare le piante usando la luce per produrre sostanze ricche di energia, come l’idrogeno dall’acqua o combustibili dall’anidride carbonica. La fotoelettrochimica ne è uno degli strumenti principali, perché immagazzina l’energia solare in legami chimici.

A cosa serve l’idrogeno solare?

È un combustibile pulito che bruciando o reagendo in una cella a combustibile restituisce energia producendo solo acqua. Prodotto dalla luce e dall’acqua, permette di immagazzinare l’energia del Sole e di usarla quando serve, anche in settori difficili da elettrificare come l’industria pesante e i trasporti a lungo raggio, dove le batterie non bastano e serve un combustibile vero e proprio.