Il carburo di silicio migliora come candidato per la fotocatalisi dell’idrogeno

Perché l’idrogeno è essenziale per la decarbonizzazione

Man mano che la ricerca per decarbonizzare i nostri sistemi energetici avanza, diventa chiaro che alcuni processi potrebbero richiedere più della semplice elettricità verde. Questo è forse vero per i trasporti, soprattutto per compiti pesanti come autobus e camion, certamente vero per la navigazione e il volo, e altrettanto necessario per le industrie pesanti come la produzione di acciaio e di prodotti chimici.

Il motivo è che alcune applicazioni necessitano di combustione molto calda (metallurgia), della fornitura di atomi di idrogeno energetici senza usare metano (industria chimica), o di un combustibile ad alta densità energetica (navigazione), per i quali l’energia elettrica e le batterie semplicemente non sono adeguate.

“Le auto passeggeri possono avere una batteria, ma i camion pesanti, le navi o gli aeroplani non possono utilizzare una batteria per immagazzinare l’energia. Per questi mezzi di trasporto, dobbiamo trovare fonti di energia pulite e rinnovabili, e l’idrogeno è un buon candidato.”

Jianwu Sun – Professore associato presso la Linköping University

Ecco perché ricercatori e attivisti climatici hanno considerato l’idrogeno verde, prodotto senza combustibili fossili, come alternativa. Il problema, tuttavia, è che la produzione di idrogeno verde è finora stata troppo costosa per consentire un’adozione di massa rispetto ai combustibili fossili.

Come risolvere la sfida della produzione di idrogeno verde

Finora, la maggior parte dei metodi per produrre idrogeno si basa su un processo a 2 fasi:

1. Prima, produrre energia verde con solare, eolico, idroelettrico o qualsiasi altra forma di energia rinnovabile.
2. Secondo, utilizzare questa elettricità verde per alimentare la catalisi dell’acqua in idrogeno.

Il problema è che qualsiasi processo a più fasi è necessariamente meno efficiente.

Ad esempio, la luce solare viene convertita in energia dai pannelli solari con un rendimento solo del 20-25%; poi, l’energia viene trasportata a un catalizzatore di idrogeno, anch’esso con un rendimento relativamente basso. Alla fine, il rendimento totale dall’energia solare all’idrogeno è probabilmente nelle unità singole basse.

E c’è la questione dei costi. Il catalizzatore probabilmente utilizza metalli rari come platino o palladio. La produzione di energia rinnovabile utilizza anche materiali rari come l’argento, e la trasmissione di energia dalla fattoria solare al catalizzatore spesso richiede ingenti investimenti.

Infine, la maggior parte dei catalizzatori per la produzione di idrogeno richiede un livello stabile di energia elettrica, il che significa che grandi sistemi di batterie devono essere aggiunti come componenti aggiuntivi all’infrastruttura necessaria.

Sono molti gli approcci possibili per risolvere questo problema che sono in fase di esplorazione. Ad esempio, abbiamo discusso in precedenza:

• Utilizzare materiali diversi per la produzione di idrogeno, come tungsteno-cobalto o nichel.
• Utilizzare rottami metallici provenienti dalla lavorazione di platino e cobalto.
• Creare un processo di fotosintesi artificiale con nanoparticelle di rutenio.

Ciascuno di questi metodi potrebbe alla fine funzionare per creare catalizzatori più economici che non richiedono una costosa quantità di platino fresco per produrre idrogeno.

Ma un nuovo approccio è la fotocatalisi diretta, ovvero la trasformazione dell’acqua in idrogeno direttamente dall’energia della luce solare, senza prima convertirla in energia elettrica. La fotocatalisi diretta non solo può eliminare la necessità di più passaggi, ma utilizza anche materiali più semplici e meno rari per costruire la generazione di energia verde e le infrastrutture.

Questo è l’approccio promosso da ricercatori della Linköping University (Svezia), della Kyushu University (Giappone), del MAX IV Laboratory (Svezia) e della Dalian University of Technology (Cina). Hanno pubblicato i loro ultimi progressi nel Journal of the American Chemical Society¹ con il titolo “Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C-SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting”.

Carburo di silicio per la fotocatalisi

Come il carburo di silicio consente la fotocatalisi diretta

Questo team di ricerca ha precedentemente lavorato con un materiale chiamato carburo di silicio cubico (3C-SiC).

Fonte: RRL Solar

Il materiale può catturare efficacemente la luce solare per la produzione di idrogeno attraverso la reazione fotochimica di scissione dell’acqua.

Fonte: RRL Solar

Quando la luce solare colpisce il materiale, vengono generate cariche elettriche (come in un pannello solare in polisilicio), che vengono poi utilizzate per scindere l’acqua.

Una sfida nello sviluppo di materiali per questa applicazione è impedire che le cariche positive e negative si ricombinino e si neutralizzino a vicenda.

Quindi, per rendere più efficace la scissione dell’acqua in idrogeno, è importante mantenere separate le cariche elettriche.

Nuovo design del catalizzatore a tri-strato di carburo di silicio

I ricercatori hanno combinato uno strato di carburo di silicio cubico con due altri strati, utilizzando idrossido di nichel (Ni(OH)2) e ossidi di cobalto (Co3O4).

Il team aveva precedentemente perfezionato la produzione di carburo di silicio cubico usando la tecnica di sublimazione, confermando la qualità del cristallo con diffrazione a raggi X (XRD).

Fonte: Journal of the American Chemical Society

Hanno anche confermato che l’interfaccia tra gli strati aumentava la durata delle cariche elettriche, incrementando la probabilità che gli elettroni fossero utilizzati dalle reazioni chimiche che scindono l’acqua in idrogeno e ossigeno.

“È una struttura molto complicata, quindi il nostro focus in questo studio è stato comprendere la funzione di ogni strato e come aiuta a migliorare le proprietà del materiale.

Il nuovo materiale ha otto volte migliori prestazioni rispetto al puro carburo di silicio cubico per la scissione dell’acqua in idrogeno.”

Jianwu Sun – Professore associato presso la Linköping University

Prossimi passi per aumentare l’efficienza della fotocatalisi

Finora, la fotocatalisi del carburo di silicio è riuscita a raggiungere solo un rendimento energetico dell’1-3%.

La presenza di uno strato “P-Type” di ossido di cobalto sotto le strutture di idrossido di nichel accelera il movimento degli elettroni, velocizzando la produzione di idrogeno.

Fonte: Journal of the American Chemical Society

Anche se non è ancora al livello desiderato, i ricercatori stimano che questo possa essere migliorato significativamente usando il loro metodo.

In definitiva, ci si aspetta un rendimento >10%, senza richiedere platino o palladio, né alcuna infrastruttura elaborata o la necessità di un approvvigionamento continuo di energia, con la produzione di idrogeno che avviene direttamente non appena il Sole illumina il dispositivo.

Investire in aziende di carburo di silicio

ON Semi

ON Semi è un’azienda di semiconduttori specializzata nell’elettrificazione, inclusa l’automotive, ma anche in altri settori come l’energia solare, le batterie, l’aerospaziale, le telecomunicazioni, i data center e il medico.

Come tale, è un partner chiave per molte delle più grandi aziende industriali al mondo.

Fonte: ON Semi

Una grande parte del vantaggio tecnologico di ON Semi si basa sul carburo di silicio, un tipo di composto silicio-carbonio utilizzato per sistemi elettrici ad alta energia. Permettono in particolare carichi di potenza molto elevati richiesti per la ricarica rapida dei veicoli elettrici.

Il carburo di silicio è il chimico recentemente usato dai ricercatori per sviluppare il grafene semiconduttivo, come discusso nel nostro articolo “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?” e, come discusso qui, ha anche il potenziale per la generazione di idrogeno.

La strategia di ON Semi di puntare ancora di più sul carburo di silicio ha portato l’azienda a registrare un’impennata dei ricavi negli ultimi anni, trainata dalla rivoluzione dei veicoli elettrici.

Fonte: ON Semiconductor [securities_stock_price_tag symbol="ON" exchange="NASDAQ"]

Batterie e sistemi elettrici sempre più potenti ed efficienti che utilizzano il carburo di silicio stanno diventando sempre più importanti nella catena di approvvigionamento globale. Come leader del settore, ON Semi probabilmente beneficerà notevolmente della tendenza all’elettrificazione, soprattutto dei veicoli elettrici e di altre energie verdi.

(Puoi anche leggere un articolo più lungo su questa azienda in “On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification”.)

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni di ON Semi (ON)

Studio di riferimento

^{1. Hui Zeng, et al. (2025) Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C-SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting. Journal of the American Chemical Society Vol 147/Issue 17. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005}