la "batteria solare" fornisce idrogeno dall'energia solare con la semplice pressione di un pulsante

L'idrogeno verde è uno dei pilastri più importanti della transizione energetica. Viene prodotto dalla luce solare mediante processi fotocatalitici. Oggi esistono diverse tecnologie per convertire e immagazzinare l'energia solare in energia chimica. Ma ora, per la prima volta, è stato sviluppato con successo un materiale che può immagazzinare l'energia della luce solare per diversi giorni e poi rilasciarla sotto forma di idrogeno "premendo un pulsante". "Si può pensare a una combinazione di cella solare e batteria a livello molecolare", spiega il professor Sven Rau, che dirige l'Istituto di Chimica Inorganica I dell'Università di Ulm.

Un copolimero idrosolubile e redox-attivo viene utilizzato come materiale per l'immagazzinamento temporaneo di energia o elettroni. I copolimeri sono macromolecole costituite da diversi blocchi organici. Formano una struttura stabile e sono stati dotati di unità funzionali che hanno determinate proprietà chimico-fisiche - in questo caso un'attività redox rafforzata. Il sistema sviluppato dai ricercatori di Ulm e Jena raggiunge un'efficienza di carica superiore all'80% e mantiene questo stato per diversi giorni. "Quando necessario, possiamo recuperare l'energia chimica sotto forma di idrogeno. Gli elettroni immagazzinati vengono utilizzati in modo efficiente a questo scopo", afferma il professor Ulrich S. Schubert, capo dell'Istituto di Chimica Organica e Macromolecolare dell'Università Friedrich Schiller di Jena, che ha coordinato lo studio insieme a Rau. Aggiungendo un acido e un catalizzatore per l'evoluzione dell'idrogeno, gli elettroni immagazzinati nel polimero vengono combinati con i protoni: questo processo produce idrogeno "su richiesta". L'efficienza è sorprendentemente alta, pari al 72%. Un altro grande vantaggio è che questo processo avviene anche al buio, cioè indipendentemente dalla presenza del sole.

Riavvio del sistema con un interruttore di pH

Se la soluzione viene successivamente neutralizzata, il sistema può essere esposto nuovamente alla luce e ricaricato. "Questo perché le reazioni redox basate sui polimeri sono reversibili e consentono molteplici cicli di carica, stoccaggio e catalisi. Il vantaggio del processo è che il polimero non deve essere isolato prima. Per resettare il sistema, è sufficiente modificarne il valore di pH", spiegano i due autori principali dello studio, Marco Hartkorn (Università di Ulm) e Robin Kampes (FSU di Jena). L'interruttore di pH non ha solo un lato pratico, ma anche uno bello: quando la batteria si scarica in presenza di acido, il colore cambia da viola a giallo; se poi viene ricaricata con la luce, il giallo diventa viola e la batteria è di nuovo "armata".

Nuovi percorsi con una prospettiva industriale

"Il progetto è importante anche dal punto di vista scientifico perché combina concetti molto diversi nel campo della chimica che altrimenti hanno pochi punti di contatto: la chimica dei polimeri macromolecolari e la fotocatalisi", afferma il professor Sven Rau. I ricercatori sono fermamente convinti che tali metodi per il cosiddetto sviluppo di idrogeno "on-demand" possano essere utilizzati anche per processi industriali ad alta intensità energetica, ad esempio per la produzione di acciaio a impatto climatico zero, che si basa su una fornitura affidabile di idrogeno verde. "I risultati aprono nuove prospettive per le tecnologie di stoccaggio solare scalabili ed economicamente vantaggiose, e forniscono un importante tassello sulla strada verso un'economia energetica sostenibile basata sulla chimica", sottolinea il professor Ulrich Schubert. Il progetto, al quale hanno partecipato anche ricercatori dell'Istituto Leibniz di Tecnologia Fotonica di Jena, è stato realizzato nell'ambito del Centro di Ricerca Collaborativo TRR/SFB 234 "CataLight" dell'Università di Ulm e dell'Università di Jena.