Biomimesi: produrre idrogeno ispirandosi alla struttura delle ali di farfalla

Le ali delle farfalle sono tra le strutture più delicate presenti in natura, ma hanno anche proprietà strutturali così sofisticate da ispirare lo sviluppo di una nuova tecnologia per produrre gas idrogeno a partire da acqua e luce solare. La ricerca è condotta dalla università cinese Shanghai Jiao Tong University, e promette di sviluppare un dispositivo in grado di raddoppiare la produzione di idrogeno rispetto a quelli attualmente disponibili. Per realizzarlo, i ricercatori, coordinati dal Prof. Tongxiang Fan, hanno preso a modello due specie di farfalle dalle ali prevalentemente nere, la Troides Aeacus e la Papilio Helenus Linnaeus, conosciuta anche come Red Helen.

È noto che la produzione di idrogeno gassoso a partire dalla luce solare e dall'acqua è possibile attraverso dispositivi con proprietà fotocatalitiche, i quali utilizzano la luce per attivare materiali catalizzatori in grado di scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno. La chiave per rendere questa tecnologia più applicabile, secondo il team di Fan, è lo sviluppo di collettori solari in grado di immagazzinare energia e mantenere stabili le caratteristiche termodinamiche del processo fotocatalitico. L’idea di ispirarsi alle ali nere della farfalla nasce proprio dall’osservazione della loro funzione di collettore solare naturale: è proprio grazie alle ali, infatti, che le farfalle che riescono a sopravvivere anche quando fa freddo, dato che esse non possono generare abbastanza calore dal loro metabolismo. Studiando nei dettagli le piccole scaglie presenti sulle ali nere delle farfalle, i ricercatori della Shanghai Jiao Tong University hanno sviluppato collettori solari che raccolgono l'energia solare da utilizzare successivamente nella fotocatalisi. L'architettura delle scaglie, rilevata al microscopio elettronico, mostra come queste siano disposte sulle ali in modo simile alle tegole sul tetto di una casa. In pratica, le micro-scaglie formano dei rilievi e presentano dei fori molto piccoli su entrambi i lati, con un’apertura sullo strato sottostante. La presenza di questi rilievi, secondo i ricercatori, ha un duplice effetto: permette alla luce diretta, caratterizzata da basse lunghezze d’onda, di incanalarsi nei fori e raggiungere gli strati sottostanti, ma consente anche di sfruttare le componenti della luce caratterizzate da lunghezze d’onda maggiori, le quali possono essere assorbite dalle pareti a tunnel presenti nelle micro-scaglie. Per imitare al meglio queste strutture, i ricercatori hanno pensato di utilizzare il biossido di titanio, uno dei materiali fotocatalitici più noti. I dispositivi realizzati contengono biossido di titanio e nanoparticelle di platino, e possono funzionare sia come collettori solari che come fotocatalizzatori. In questo modo, secondo il team guidato da Fan, è teoricamente possibile raddoppiare la produzione di idrogeno rispetto ai comuni dispositivi. Il gruppo di ricerca sta attualmente concentrando i propri studi sulle diverse architetture gerarchiche presenti in natura, in modo da trarne fonte di ispirazione per lo sviluppo di nuove nanostrutture fotocatalitiche.

Fonte: ScienceDaily

idrogeno

Pubblicato il: 28 Maggio 2012

La foglia artificiale che produce idrogeno direttamente dal sole

È allo studio una particolare forma di foglia artificiale, in grado di produrre idrogeno dall’acqua con il solo impiego della luce solare. Il gruppo di ricerca Photovoltaic and Optoelectronic Devices della università spagnola Universitad Jaume I (UJI), guidato dal professor Juan Bisquert, ha infatti messo a punto un dispositivo con materiali semiconduttori nanostrutturati, capace di generare idrogeno dall’acqua in maniera indipendente e utilizzando esclusivamente la luce solare.

Questa tecnologia, che è stata ribattezzata fotosintesi artificiale, si ispira direttamente alla fotosintesi naturale, ovvero al processo con il quale le piante utilizzano la luce solare per trasformare materiale organico in altri composti organici, liberando l'energia chimica immagazzinata nei legami della molecola adenosina trifosfato, ATP, e ottenendo composti energetici come zuccheri o carboidrati.

Secondo gli scienziati, la produzione efficiente di idrogeno utilizzando materiali semiconduttori e luce solare rappresenta un grosso passo in avanti per riuscire a soddisfare le esigenze energetiche del 21° secolo. Attualmente l'efficienza energetica del prototipo non è ancora sufficientemente grande per prenderne in considerazione la commercializzazione, ma i ricercatori della UJI stanno esplorando vari modi per migliorare i rendimenti di conversione e dimostrare così la realizzabilità del dispositivo su larga scala.

Come è noto, l'idrogeno è un ottimo combustibile ed è un elemento estremamente abbondante sulla superficie terrestre, ma si trova prevalentemente nelle molecole d’acqua, in combinazione con l'ossigeno (H₂0). In questo caso è possibile separare l’idrogeno dall’ossigeno attraverso i fenomeni di elettrolisi, che comportano tuttavia un certo apporto di energia elettrica dall’esterno. Per ottenere una foglia elettronica in grado di produrre idrogeno senza l’impiego di elettricità, è necessario realizzare un dispositivo che si basi direttamente sull’iutilizzo dell’energia solare per provocare le reazioni chimiche necessarie per rompere l'acqua e generare idrogeno, in modo del tutto simile a quanto avviene nelle foglie delle piante.

Il dispositivo realizzato dall’Università Jaume I è un semiconduttore nanostrutturato, immerso in una soluzione acquosa che, quando viene illuminata con una sorgente di luce, forma bolle di gas idrogeno. In questa prima fase, il gruppo di ricerca ha utilizzato una soluzione con un agente ossidante e studiato l'evoluzione di idrogeno prodotto da fotoni. "Ora la sfida più grande", ha commentato Iván Mora, membro del team di sviluppo la soluzione, "è quella di comprendere il processo fisico-chimico che ha luogo all’interno del materiale semiconduttore e della sua interfaccia con il mezzo acquoso, al fine di rendere il processo di fotosintesi artificiale più efficiente ed affidabile."

Lo sviluppo della foglia artificiale rappresenta una grande sfida scientifica, a causa della difficoltà di scelta dei materiali da utilizzare nel processo, dal momento che essi devono operare in continuo, senza andare incontro al processo di decomposizione che è invece caratteristico delle foglie naturali. Attualmente, il team della Universitat Jaume I è uno dei pochi gruppi di ricerca a livello internazionale che ha dimostrato la fattibilità di un dispositivo con queste caratteristiche, insieme con i laboratori del MIT di Boston, guidati dal professor Daniel Nocera, o del NREL a Denver (US). Il leader del gruppo di ricerca, Juan Bisquert, ha dichiarato che "in confronto ad altri dispositivi, quello che è stato sviluppato dalla Universitat Jaume I ha il vantaggio di presentare bassi costi di produzione e una grande collezione di fotoni incidenti di luce, utilizzati per la produzione di fotoni di idrogeno nello spettro infrarosso. "