Obiettivo 1: Produzione di idrogeno verde e pulito
REFERENTE/I
Vera La Ferrara – ENEA
vera.laferrara@enea.it
Attività
L’attività del progetto presso il Centro Ricerche ENEA di Portici è partita dalla realizzazione ex novo delle infrastrutture necessarie, in un contesto in cui non erano ancora presenti laboratori dedicati a queste attività. Sono stati quindi progettati, attrezzati e messi in funzione due laboratori complementari, creando da zero una piattaforma sperimentale per lo sviluppo di materiali e dispositivi capaci di utilizzare direttamente la luce solare per produrre idrogeno dall’acqua. Il primo laboratorio è dedicato alla sintesi e caratterizzazione di materiali per fotoelettrodi, tra cui perovskiti a ossidi e catalizzatori, mediante spin coating, slot-die coating e processi assistiti da microonde, ultrasuoni e UV. I materiali sono studiati con spettroscopia Raman, diffrazione XRD e tecniche elettrochimiche e fotoelettrochimiche; la produzione di idrogeno può essere monitorata in tempo reale mediante spettrometria di massa. Il secondo laboratorio è dedicato alla fabbricazione, in glove box ad atmosfera controllata, di celle solari e fotoanodi a perovskite ibrida, alla loro caratterizzazione e alla successiva integrazione con sistemi elettrochimici. Particolare attenzione è rivolta all’incapsulamento dei dispositivi e alla loro stabilità durante il funzionamento in ambiente acquoso. Saranno sviluppati fotoanodi monolitici, nei quali assorbimento della luce, trasporto delle cariche e catalisi siano integrati in un unico dispositivo, riducendo le perdite di energia.
Figura 1
Schema del fotoanodo monolitico a base di perovskite per la scissione fotoelettrochimica di una soluzione acquosa. La luce solare viene assorbita dalla perovskite che genera le cariche necessarie a separare l’acqua in idrogeno e ossigeno. Sul lato destro in figura è rappresentata la formazione di ossigeno, mentre l’idrogeno viene prodotto sul catodo, elettrodo di platino, non rappresentato nell’immagine (Immagine schematica generata con supporto di intelligenza artificiale e revisionata)
Risultati
Sono state realizzate celle solari a perovskite e successivamente trasformate in dispositivi in grado di utilizzare direttamente la luce per favorire la scissione dell’acqua. Le celle sono state accoppiate a un sottile foglio di Nichel, che svolge la funzione di catalizzatore, e protette mediante un opportuno incapsulamento per consentirne il funzionamento in ambiente acquoso alcalino. Sono state studiate due configurazioni: una in cui la cella solare alimenta dall’esterno il sistema elettrochimico e una più integrata, in cui il dispositivo a perovskite e il catalizzatore sono immersi direttamente nella soluzione. In entrambi i casi, l’energia fornita dalla luce riduce in modo significativo l’energia elettrica necessaria per avviare la reazione di scissione dell’acqua. La configurazione immersa ha fornito i risultati migliori, raggiungendo un’efficienza di conversione della luce in corrente utile al processo di circa il 20%. I risultati mostrano che integrare in modo efficace cella solare e catalizzatore permette di ridurre le perdite energetiche e migliorare le prestazioni complessive del sistema.
Figura 2
Foto del fotoanodo a base di perovskite durante il funzionamento in una cella fotoelettrochimica. Il dispositivo è immerso nell’elettrolita dopo l’incapsulamento e sulla superficie dell’elettrodo sono visibili bolle di gas associate alla reazione di ossidazione dell’acqua. Il fotoanodo sfrutta l’energia della luce per generare e trasferire le cariche necessarie al processo di water splitting, che porta alla produzione di ossigeno al fotoanodo e di idrogeno al controelettrodo.
Figura 3
Sistema sperimentale per il monitoraggio della produzione di idrogeno durante le prove fotoelettrochimiche. A sinistra è mostrato l’apparato installato in laboratorio, costituito dalla cella elettrochimica collegata alla strumentazione di misura e allo spettrometro di massa. A destra è riportato lo schema di funzionamento: i gas prodotti nella cella vengono convogliati direttamente allo spettrometro di massa, che consente di rilevare e quantificare in tempo reale l’idrogeno sviluppato durante il funzionamento del dispositivo.
Figura 4
Confronto delle prestazioni fotoelettrochimiche del dispositivo a perovskite. A sinistra, le curve corrente–potenziale mostrano che l’accoppiamento della cella solare a perovskite con l’elettrodo catalitico di Ni anticipa significativamente l’avvio della reazione di evoluzione dell’ossigeno rispetto al solo elettrodo di Ni, sia nella configurazione esterna sia in quella immersa. A destra, la misura della corrente nel tempo durante cicli luce ON/OFF evidenzia una risposta rapida e riproducibile all’illuminazione, confermando che la corrente generata è direttamente correlata all’attivazione del dispositivo fotovoltaico.
Team di ricerca
Le attività sono svolte da un team multidisciplinare di ricercatori e tecnici ENEA dei Centri Ricerche di Portici e Casaccia del Laboratorio Idrogeno e nuovi vettori energetici, con competenze che coprono l’intero processo, dalla sintesi dei materiali alla realizzazione e caratterizzazione dei dispositivi per la produzione di idrogeno solare.
In collaborazione con:
Documenti
La Ferrara, V.; Martino, M.; Marino, A.; Landi, G.; Del Gobbo, S.; Lisi, N.; Viscardi, R.; Giaconia, A.; Monteleone, G. Triple-Cation Perovskite Photoanodes for Solar Water Splitting: From Photovoltaic-Assisted to Immersed Photoelectrochemical Operation. Micromachines 2026, 17, 431. https://doi.org/10.3390/mi17040431
