Obiettivo 2: Stoccaggio, trasporto e trasformazione in derivati ed e-fuels
REFERENTE/I
Nicola Sangiorgi – CNR
nicola.sangiorgi@cnr.it
Attività
L’obiettivo principale è sviluppare nuovi materiali con struttura a perovskite anche senza elementi critici, per produrre idrogeno e immagazzinarlo sotto forma di ammoniaca tramite celle foto-elettrochimiche. Sono state quindi preparati con diversi approcci sintetici perovskiti a differente composizione chimica, BiFeO3, CaCu3Ti4O12 , CsPbBr3 e CsPbI3 che successivamente sono stati analizzati per comprenderne struttura, proprietà ottiche e capacità di attivarsi con la luce. Successivamente, tali materiali sono stati trasformati in film sottili per realizzare foto-elettrodi, utilizzando tecniche facilmente scalabili come serigrafia e spin coating. Sono state poi studiate le loro prestazioni foto elettrochimiche, in particolare la capacità di generare foto-corrente e facilitare le reazioni chimiche di interesse. Per migliorarne le prestazioni, i film sono stati modificati con nanoparticelle metalliche (rame) o materiali carboniosi (grafite), creando etero-strutture più efficienti. Tali sistemi sono stati testati come foto-catodi per produrre ammoniaca, valutandone efficienza e stabilità nel tempo. Infine, i materiali migliori sono stati impiegati per costruire piccoli prototipi di celle foto elettrochimiche, capaci di accumulare l’energia solare ed idrogeno in ammoniaca.
Figura 1
Descrizione di una cella foto-elettrochimica per produzione di ammoniaca con relativi aspetti elettrochimici
Risultati
CsPbBr3 e CsPbI3 sono stati preparati tramite co-precipitazione ottenendo energie di band gap di 2.34 eV e 1.76 eV rispettivamente. Contemporaneamente è stato preparato sia BiFeO3 tramite sintesi sol-gel (Eg pari a 2.1 eV) sia CaCu3Ti4O12 tramite sintesi di sali fusi con NaCl o LiCl (Eg pari a 2.22 eV e 1.75 eV). Sono stati poi realizzati film sottili di CsPbBr3 e CsPbI3 su FTO tramite spin coating e successivo ricoprimento con uno strato protettivo nanometrico di grafite tramite sputtering. Allo stesso tempo sono stati preparati ed ottimizzati gli inchiostri serigrafici ed i relativi parametri di stampa per gli altri materiali. Tutti i foto-elettrodi ottenuti sono stati caratterizzati dal punto di vista fotoelettrochimico attraverso differenti tecniche evidenziando caratteristiche adatte allo scopo e film omogenei. Per incrementarne le performance sono state create etero-strutture con grafite e nanoparticelle di rame e tali sistemi sono stati utilizzati per produrre ammoniaca tramite PEC. I migliori risultati ottenuti sono una Efficienza Faradica (F.E.) del 35% e 92% a -0.8V e -0.4V vs NHE per BiFeO3/grafite, 11% a -0.4V per Na-CCTO/Cu2O e del 71% a -0.4V per Li-CCTO/grafite. CsPbBr3 CsPbI3 producono F.E. pari a 13% a -0.8V vs NHE e 15% a -1.3V rispettivamente.
Figura 2
Macchinari per deposizioni, foto-elettrodi, dispositivo e risultati ottenuti in termini di produzione di ammoniaca tramite PEC
Team di ricerca
Le attività sono svolte da un team di ricerca che comprende giovani ricercatori con diversi profili affiancati da ricercatori con maggiore esperienza. Il personale coinvolto presenta esperienze e professionalità differenti ma complementari per lo svolgimento di tutte le attività previste dalla LA. In particolare, all’interno del gruppo di ricerca vi sono competenze nella sintesi e caratterizzazione di diverse tipologie di materiali, competenze nell’ottimizzazione di diversi processi sia chimici che fisici per la realizzazione di film a diverso spessore ed alla loro completa caratterizzazione. Inoltre vi sono competenze nel campo dell’elettrochimica e foto-elettrochimica così come nella preparazione e testing di dispositivi da fonte solare, necessari per il raggiungimento degli obiettivi della LA. Insieme a questo, risultano fondamentali anche le collaborazioni con altri enti di ricerca sia internazionali che nazionali che offrono conoscenze ed infrastrutture necessarie per la buona riuscita delle attività, tra cui l’Università di Bologna, l’Università di Parma ed altri Istituti CNR.
CNR-ISSMC: Gruppo materiali e processi per applicazioni energetiche
In collaborazione con:
Documenti
– F. Bossola, G. Tuci, N. Sangiorgi, et al., Rend. Fis. Acc. Lincei 36, 659–676 (2025). https://doi.org/10.1007/s12210-025-01329-1
– A. Soccio, N. Sangiorgi, A. Sangiorgi, A. Sanson, Nano Select, no. 3 (2026): e70127. https://doi.org/10.1002/nano.70127 .
– S. Casadio, A. Gondolini, N. Sangiorgi, E. Tosi Brandi, F. Basile, A. Sanson, Journal of CO2 Utilization, 110, 2026, 103497, https://doi.org/10.1016/j.jcou.2026.103497 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982026001861).
