" Foto-sensibilizzatori SrTiO3:Al/Mg/Ga e foto-catalizzatori Rh/RhCrO2 su supporto di particelle nanometriche di SiO2 e di film di SiO2 per pannelli solari ad acqua di 1 mt x 1 mt. "
L'articolo allegato di Yosuke Goto e altri della Università e Centri di ricerca giapponesi di Tokio, Yamaguchi, Konogawa, Shishu, Hachioji è sul seguente link:
https://www.cell.com/joule/pdf/S2542-4351(17)30224-6.pdf
Lo splitting foto-catalitico dell'acqua tramite la luce solare per produrre Idrogeno Verde è un processo efficiente, scalabile su scala industriale, ed economicamente fattibile.
La reazione di scissione dell'acqua è immediata e facilmente realizzabile con foto-sensibilizzatore SrTiO3 dopato con Al/Mg/Ga e foto-catalizzatore Rh/RhCrO2.
Un reattore a pannelli solari, ciascuno di 1 mt x 1 mt, con uno spessore di acqua di solo 1 mm è facilmente realizzabile ed è in grado di produrre immediatamente e rapidamente un flusso gassoso di Idrogeno ed Ossigeno.
Un pannello di 1 m2 di area con detti foto-catalizzatori ed acqua, investito da luce solare naturale, ha una efficienza di conversione solare ad Idrogeno (STH) di 0,4 % e consente di realizzare grandi impianti industriali di produzione di Idrogeno rinnovabile a costi molto bassi.
Altri sistemi noti ad energia solare diretta come le celle fotovoltaiche combinate con elettrolizzatori esterni e le celle foto-elettrochimiche hanno una elevata efficienza di conversione STH, per esempio fino a 30% di STH, usando membrane polimeriche elettrolitiche connesse in serie con triple giunzioni di InGaP/Ga As/Ga InNAsSb e fino a 12,7% di STH con celle foto-elettrolitiche costituite da elettroliti separati da membrane bipolari.
Però solo pochi progetti di produzione industriale di Idrogeno sono stati proposti, tra cui l'ultimo e molto efficiente basato su pannelli solari fotochimici con "erba sintetica" catalitica di steli di nanowires e di nanosheets costituiti da GaInN + Rh/RhCr2O3 (già descritti in questo blog) coperti di acqua per lo splitting.
Nel caso invece di sistemi fotochimici come quello quì presentato con STH inferiore (0,4%) con foto-sensibilizzatori e foto-catalizzatori più semplici e facili da realizzare con pannelli singoli di 1 mt x 1 mt, e adatti per grandi produzioni industriali richiedono di strutturare l'impianto complessivo esteso su ampie aree illuminate dalla luce solare.
Questo metodo foto-catalitico per lo splitting dell'acqua è moto semplice, facile da costruire e con costi di realizzazione nettamente inferiori agli altri metodi ( fotovoltaico, foto-elettrolitico, foto-catalitico con catalizzatori a nanowires o nanosheets complessi da realizzare come "erba sintetica").
Non ci sono quì elettrodi anodo - catodo, nè elettroliti, nè fenomeni di trasporto a distanza degli intermedi ionici dello splitting.
Il contatto del foto-catalizzatore con l'acqua di reazione è realizzato tramite un film catalitico depositato su uno strato di silice supportata da un foglio di plastica (anche avvolgibile per il montaggio e smontaggio del pannello solare) ed è una reazione fotochimica diretta senza alcuna intermediazione di composti ionici ne di elettroliti.
Dal film catalitico escono direttamente le bolle di gas, subito trasferite verso l'esterno del pannello e poi convogliate in zone di accumulo per la separazione e purificazione di H2 e O2 generati.
Un sistema di reazione fotochimica su grande scala per la produzione di Idrogeno deve prevedere un insieme di pannelli solari che ospitano il film di foto-catalizzatori altamente reattivi che globalmente possono raggiungere una efficienza in STH del 10% circa.
Il complesso catalitico è SrTiO3:Al (dopato con Mg/Ga) e addizionato dei co-catalizzatori di splitting Rh/ RhCrO2, e può essere utilizzato sia come polvere nanometrica oppure come film continuo nei pannelli solari.
Le nanopolveri da 200 a 500 nm vengono usate come tali per esperienze di laboratorio e di piccola scala, mentre il film continuo del complesso catalitico viene usato per i pannelli solari e per le grandi produzioni.
Dopando il foto-catalizzatore di base SrTiO3 con minime quantità controllate di Al2O3 e di Mg e Ga vengono notevolmente aumentate le rese foto-catalitiche, e in modo analogo minime aggiunte di Rh e Rh/CrO2 aumentano nettamente le rese di splitting a Idrogeno.
In questo modo la resa quantistica in produzione di H2 rispetto alla luce solare assorbita può arrivare al 56% alla lunghezza d'onda della luce solare di 365 nm.
L'energia di attivazione per lo splitting dell'acqua è molto bassa con detto sistema catalitico ed è pari a ca. 1,8 Kcal/mole di H2 prodotto, rispetto a valori nettamente superiori delle equivalenti reazioni termiche ed elettrochimiche, sicchè la scalabilità e convenienza estesa a grandi produzioni industriali di Idrogeno con adeguati pannelli solari affiancati e combinati sono sicure.
Per costruire un foglio piano di foto-catalizzatore le poveri nanometriche di SrTiO3:Al vengono fissate su un substrato di Silice mediante un getto a spruzzo di gocce contenenti nanoparticelle di SiO2 (da 20 nm) usate per fissare come legante inorganico il foto-catalizzatore al substrato.
Il film di foto-catalizzatore ha una attività di splitting dell'acqua paragonabile a quella di una sospensione di polvere nanometrica.
Un pannello solare di 1 mt x 1 mt usabile per grandi produzioni industriali di Idrogeno è illustrato chiaramente nella figura 3A del lavoro originale allegato di Goto.
Il pannello per lo splitting dell'acqua viene usato inclinato di 10 - 20 ° rispetto all'orizzontale per consentire un rapido rilascio e deflusso dei gas H2 e O2 prodotti, come anche per consentire un'adeguata esposizione del pannello alla luce solare.
Lo spessore e profondità dello strato di acqua che scorre lungo il film catalitico del pannello può essere di 1 a 5 mm ed il deflusso del gas prodotto in queste condizioni è di ca.0,6 mlt/cm2.h, valore che può essere variato e regolato fino ad ottenere una resa STH del 10% (3,7 cc/cm2.h).
Il lato interno della finestra esposta al sole viene reso idrofilo in modo da consentire un rapido deflusso di bollicine di gas evitando l'accumulo e il rischio di esplosioni delle miscele di H2 e O2 nel reattore a pannello.
Pannelli di questo genere sono installati e funzionano producendo Idrogeno sul tetto dell'Università di Tokio sin dal settembre del 2016 come forma di collaudo.
Il volume di H2 prodotto è di ca. 1020 cc/h per pannello a 25 °C e 1 atm.di pressione pari a d una resa in STH di ca. 0,5%.
Le polveri nanometriche e i fogli del sistema catalitico SrTi O3:Al con l'aggiunta di Rh/RhCrO2 vengono talora anche addizionate da un co-catalizzatore a base di CoOy che migliora la stabilità nel tempo e le rese foto-catalitiche del complesso.
I risultati ottenuti dimostrano che il concetto del pannello solare foto-catalitico chimico per lo splitting dell'acqua è assolutamente valido ed efficiente per le grandi produzioni industriali di Idrogeno solare a costi molto bassi , nettamente inferiori a qualunque altro metodo di produzione di Idrogeno Verde, solare o meno.
Particolare cura dopo lo splitting dell'acqua è richiesta per separare H2 da O2, per essiccamento dei gas e per la filtrazione di H2 tramite membrane di separazione e purificazione.
Il processo di separazione di H2 da O2 prevede l'utilizzo di setacci molecolari costituiti da zeoliti, silice e carboni attivi.
I valori globali di resa STH raggiunti con detto sistema foto-catalitico a pannello solare consentono di realizzare costi di produzione di Idrogeno Verde di circa 10 volte inferiori ai costi del fotovoltaico assistito da elettrolizzatore e dei sistemi foto-elettrochimici.
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