Un team di ricercatori del Korea Ulsan National Institute of Science and Technology ha sviluppato un dispositivo per produrre idrogeno direttamente dall’energia solare, raggiungendo un’efficienza superiore all’11%. Il sistema, descritto su Nature Communications nel 2025, unisce elevate prestazioni, durata e potenziale di scala, superando i limiti finora riscontrati nei dispositivi di fotosintesi artificiale.
I limiti storici della produzione fotoelettrochimica di idrogeno
La conversione diretta dell’acqua in idrogeno usando la luce solare rappresenta un obiettivo di lunga data per la comunità scientifica, con l’intento di sfruttare una fonte energetica pulita e rinnovabile. Ma, fino a oggi, i dispositivi hanno dimostrato efficienza ridotta e difficoltà nella scalabilità per impieghi reali. Le tecnologie tradizionali si dividono principalmente in due categorie: sistemi fotovoltaici ed elettrochimici separati, e soluzioni integrate fotoelettrochimiche.
Nel primo caso, un pannello solare converte la luce in elettricità che alimenta un elettrolizzatore separato per scindere l’acqua. Questo approccio richiede ampi spazi e costi elevati. Nel secondo, entrambi i processi sono integrati in un unico modulo, riducendo dimensioni e componenti, ma complicando la conduzione elettrica a causa di cablaggi esterni, con conseguente perdita di efficienza. Trovare un equilibrio tra prestazioni, compattezza e costi ha bloccato la diffusione su larga scala.
La foglia artificiale: un modello ispirato alla natura
La foglia artificiale riprende il meccanismo della fotosintesi naturale. Al suo interno, un unico dispositivo integra semiconduttori che assorbono la luce e celle elettrochimiche per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno. Questa soluzione promette di semplificare il sistema riducendo le parti mobili e i cablaggi, ma fino a oggi non è riuscita a offrire contemporaneamente efficienza elevata, durata e possibilità di ampliamento.
Molti prototipi si sono dimostrati fragili o con prestazioni che calavano rapidamente. La vera sfida è stata mettere a punto materiali e design capaci di resistere all’ambiente acquoso e alla luce intensa senza degradarsi, soprattutto su superfici più ampie adatte alla produzione industriale.
L’innovazione dell’unist: perovskiti e nuovi fotoelettrodi
Il gruppo di ricerca coreano si è concentrato su nuovi materiali, fondamentali per migliorare la stabilità e la cattura della luce solare. Hanno scelto il triioduro di piombo formamidinio , una perovskite drogata con cloro, come fotoassorbitore principale. Le perovskiti vantano un alto assorbimento luminoso e possono essere lavorate su superfici più estese, ma tradizionalmente soffrono di degradazione rapida quando esposte a umidità e luce.
Per contrastare queste limitazioni, i ricercatori hanno adottato uno strato di ossido di stagno come trasportatore di cariche, resistente ai raggi UV. L’assemblaggio dei fotoelettrodi incorpora laminati di nichel e resine con elettrocatalizzatori per aumentare la durata e ottimizzare la conversione elettrica. Questi componenti sono stati messi insieme in moduli di 16 cm², formato costituito da 8 fotoanodi e 8 fotocatodi.
Risultati e prestazioni del sistema su scala modulo
Il modulo realizzato ha raggiunto un’efficienza complessiva dell’11,2% nel convertire direttamente l’energia solare in idrogeno gassoso. Questo valore supera di poco la soglia considerata come punto minimo per applicazioni commerciali. La ricerca ha inoltre dimostrato la stabilità del sistema: il dispositivo ha mantenuto il 99% delle prestazioni iniziali dopo 140 ore di funzionamento continuato.
Quello ottenuto da UNIST rappresenta un progresso concreto verso la produzione di idrogeno solare commerciale. Il design modulare è replicabile e scalabile, eliminando i problemi legati alla degradazione rapida e alla difficoltà di costruire fotoelettrodi di ampie dimensioni.
Lo studio, intitolato “Scalable and durable module-sized artificial leaf with a solar-to-hydrogen efficiency over 10%”, è stato pubblicato nel 2025 su Nature Communications, segnando un passo avanti significativo per le tecnologie di energia pulita derivata dal sole e dall’acqua.
