Nel grande mosaico delle energie rinnovabili, l'idrogeno verde rappresenta una tessera fondamentale, ma come più volte rimarcato, produrlo in modo pulito ed economico rimane una sfida complessa. Molti metodi attuali richiedono ancora grandi quantità di elettricità e generano emissioni di CO2.
Una delle vie più promettenti è la scissione fotoelettrochimica (PEC) dell'acqua, un processo che utilizza direttamente la luce solare per separare l'idrogeno dall'ossigeno. In questo campo, un gruppo di ricercatori cinesi ha recentemente segnato un importante obiettivo, ottenendo la più alta efficienza di conversione solare-idrogeno mai registrata con un fotocatodo a base di solfuro di rame, zinco e stagno (Cu2ZnSnS4), comunemente noto come CZTS.
Questo materiale è da tempo sotto i riflettori della comunità scientifica perché è composto da elementi abbondanti sulla Terra e, di conseguenza, molto più economici rispetto ad alternative che impiegano metalli rari e costosi come l'indio o il gallio. Tuttavia, il suo potenziale è sempre stato frenato da un limite intrinseco: un'efficienza che, fino a oggi, non riusciva a superare la soglia dell'8%. Il problema risiedeva principalmente in difetti strutturali e imperfezioni all'interno del materiale che "divoravano" i portatori di carica generati dalla luce solare, impedendo una conversione efficace.
La svolta è arrivata grazie a una tecnica innovativa e versatile che i ricercatori hanno chiamato "ingegneria dello strato di semi precursori" (PSLE). In termini più semplici, hanno messo a punto una strategia per controllare con precisione la crescita dei cristalli di CZTS. Questo approccio ha permesso di ottenere film di materiale con una struttura densa e grani allineati verticalmente, riducendo drasticamente la densità dei difetti e allungando la vita dei portatori di carica fino a 4,40 nanosecondi. Il risultato è un fotocatodo a film sottile (CZTS/CdS/TiO2/Pt) che ha frantumato ogni record precedente, raggiungendo un'efficienza di conversione solare-idrogeno del 9,91% e una fotocorrente di 29,44 mA per centimetro quadrato, un valore che si avvicina incredibilmente al limite teorico del 30,49 mA cm⁻².
Il team ha dimostrato la fattibilità del sistema creando una cella tandem CZTS-BiVO4 in grado di funzionare direttamente in acqua di mare naturale, ottenendo un'efficienza del 2,20%. Questo apre la strada alla produzione di idrogeno verde su larga scala direttamente dagli oceani.
La strategia, inoltre, abbatte i costi dei materiali di oltre il 70% rispetto alle tecnologie concorrenti ed è compatibile con metodi di produzione industriale come il "roll-to-roll". Questo passo avanti non solo avvicina l'obiettivo di un'energia pulita e accessibile, ma posiziona il CZTS come un materiale chiave per lo sviluppo di combustibili solari sostenibili e per la realizzazione di un'economia circolare dell'idrogeno.
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