Combustibili solari

Riduzione di anidride carbonica tramite processi foto-elettrochimici

Responsabili: Alessandra Sanson, Nicola Sangiorgi

Personale coinvolto: Linda Bergamini, Alex Sangiorgi, Angela Gondolini, Elisa Mercadelli

La crescente immissione di gas serra (CO₂) nell’atmosfera dovuti ai combustibili fossili, e il conseguente effetto climalterante sono tra le principali sfide della moderna società. Una possibile soluzione è legata alla cattura e rimozione dell’anidride carbonica dall’atmosfera e alla sua conversione in combustili (o prodotti chimici di base) attraverso processi indotti dalla luce solare. Realizzare tali processi combinando l’effetto della luce solare insieme all’utilizzo di corrente elettrica (reazioni foto-elettrocatalitiche) rende l’intero processo maggiormente efficiente rispetto alle tecnologie convenzionali. Tale approccio è reso possibile attraverso l’utilizzo di celle foto-elettrochimiche (PEC) basate su materiali elettrocatalitici oppure foto-elettrocatalitici.

In CNR-ISTEC l’attività è focalizzata sulla produzione e caratterizzazione di materiali a basso costo con struttura a base perovskitica utilizzati sia come elettrodi che come strati attivi che come sistemi per la cattura della luce solare. In particolare vengono studiati differenti materiali a base di CsPbBr₃, CaCu₃Ti₄O₁₂ e Ba₄Ti₃O₁₂ su cui vengono apportate modifiche tramite processi di doping o sostituzione completa di alcuni elementi. Questi materiali vengono poi utilizzati per produrre film con superficie ingegnerizzata tramite l’impiego di tecniche scalabili o di additive manufacturing a produrre elettrodi per PEC. Questi ultimi vengono poi approfonditamente caratterizzati dal punto di vista strutturale, ottico, morfologico ed elettrochimico per correlare la struttura con le proprietà ottenute. Infine vengono costruiti opportuni dispositivi foto-elettrochimici (PEC) per valutare la capacità di foto-attivare o catalizzare reazioni di conversione di CO₂. Tecniche cromatografiche vengono utilizzate per analizzare i prodotti di reazione ottenuti (combustibili solari) valutando rese di conversione, efficienze e selettività.

Strumenti e processi

I materiali studiati vengono preparati inizialmente sotto forma di polvere attraverso i tradizionali processi di sol-gel o sintesi chimiche (allo stato solido o tramite reazioni di precipitazione anche mediate dalle microonde o da IR). Successivamente tali materiali vengono utilizzati per la produzione di film utilizzati come elettrodi tramite processi come la serigrafia, lo spin o spray-coating oppure tecniche di manifattura additiva (inkjet e microestrusione). I materiali preparati sotto forma di elettrodi vengono completamente caratterizzati dal punto di vista morfologico-strutturale e elettrochimico e foto-elettrochimico (capacità di movimentazione di cariche, conducibilità elettrica, correnti prodotte) attraverso la stazione elettrochimica Autolab PGSTAT302N+FRA32M ed il relativo banco ottico. Allo scopo di determinarne in maggiore dettaglio le proprietà elettroniche viene utilizzata la Spettroscopia ad Impedenza Elettrochimica (EIS). Le proprietà ottiche e di assorbimento della luce vengono invece valutate tramite sfera integratrice del sistema PVE300 (sia in modalità di riflessione sia in trasmissione). Infine le reazioni di foto-riduzione di CO₂ vengono condotte in apposita PEC sfruttando la luce emessa dal simulatore solare (SUN2000 Abet Technologies) e sistemi di illuminazione analoghi.

Principali collaborazioni

Progetti

IES\R3\170381

Pubblicazioni

N. Sangiorgi, G. Tuci, A. Sanson, M. Peruzzini, G. Giambastiani, “Metal-free carbon-based materials for electrocatalytic and photo-electrocatalytic CO2 reduction”, Rendiconti Lincei, Scienze Fisiche e Naturali 2019, 30, 497-513