Elettricità dalle biomasse grazie a nuove celle a combustibile solari ibride

I laboratori del Georgia Institute of Technology hanno messo a punto delle celle a combustibile ibride a bassa temperatura alimentabili con qualsiasi tipo di biomassa. L’uso diretto della biomassa come combustibile potrebbe favorire una maggiore diffusione delle fuel cell a bassa temperatura, finora alimentate prevalentemente a idrogeno e a metanolo.

Un team di ricerca del Georgia Institute of Technology ad Atlanta (US), guidato dal prof. Yulin Deng, ha sviluppato un nuovo tipo di cella a combustibile in grado di convertire direttamente la biomassa in energia elettrica con l’assistenza di un catalizzatore attivato da energia solare o termica. Le nuove fuel cell solari sono in pratica dispositivi ibridi che operano a temperatura ambiente usando il sole come catalizzatore e una serie di fonti organiche come materia prima. Un punto di forza della nuova tecnologia è la versatilità: tra le materie utilizzabili si contano infatti l’amido, la lignina, le alghe e i rifiuti di lavorazione del pollame. Secondo il Prof. Deng, la nuova tecnologia messa a punto all’interno dei laboratori del Georgia Tech è in grado di gestire la biomassa a temperatura ambiente senza limiti di tipologia e senza la necessità di purificare i materiali di partenza.

Il maggiore problema che ha finora limitato l’impiego di biomasse direttamente nelle celle a combustibile  è dato dal fatto che i legami Carbonio-Carbonio tipicamente presenti in questi materiali non possono essere facilmente spezzati dai comuni catalizzatori. Per superare questo ostacolo, in passato i ricercatori hanno sviluppato le cosiddette celle a combustibile microbiologiche (Microbial Fuel Cell, MFC), all’interno delle quali sono presenti microbi o enzimi in grado di agire sulla biomassa spezzando i legami tra gli atomi di carbonio. Quest’ultimo processo, tuttavia, ha molte controindicazioni: innanzi tutto l’outup energetico ricavabile è modesto, inoltre i microbi e gli enzimi sono in grado di agire selettivamente solo su alcuni tipi di biomasse, e risultano essere facilmente disattivabili da molteplici fattori esterni. Deng e il suo team di ricerca hanno cercato di superare questo problema utilizzando un catalizzatore attivabile da una fonte energetica esterna e  in grado si svolgere sia la funzione di agente ossidante che quella di trasportatore di carica all’interno della reazione di ossido-riduzione della cella a combustibile.

All’interno del nuovo processo sviluppato dal Georgia Tech, la biomassa viene macinata e miscelata con un catalizzatore fotosensibile, il poliossimetallato (POM) e il tutto viene poi esposto alla luce del sole. Il POM ossida la biomassa in presenza di foto-irraggiamento, e trasporta le cariche dalla materia organica all’anodo della cella a combustibile; gli elettroni arrivano quindi al catodo, dove vengono finalmente ossidati dall’ossigeno attraverso un circuito esterno, in modo da produrre elettricità. In pratica, il POM introduce un passaggio intermedio, perché non sarebbe possibile combinare direttamente la biomassa e l’ossigeno. Inoltre,  la biomassa e il catalizzatore non reagiscono spontaneamente a temperatura ambiente, ma la reazione comincia solo in presenza di  luce o calore.

Nel loro documento, pubblicato sulla rivista Nature Communications, i ricercatori hanno riferito una densità energetica massima di 0,72 milliwatt per centimetro quadrato, vale a dire circa 100 volte superiore a quella delle celle a combustibile microbiche a base di cellulosa. Ora i ricercatori sono convinti di poter decuplicare l’output energetico una volta ottimizzato il procedimento.  Le nuove fuel cell potrebbero essere utilizzate in futuro sia per piccoli dispositivi in Paesi in via di sviluppo, sia in abbinamento a grandi impianti produttivi dove vi sia abbondanza di biomasse di scarto disponibili, come ad esempio nelle industrie alimentari.

Fonti: Solar-Induced Hybrid Fuel Cell Produces Electricity Directly from Biomass

CITATION: Wei Liu, et al., “Solar-induced direct biomass-to-electricity hybrid fuel cell using polyoxometalates as photocatalyst and charge carrier,” (Nature Communications, 2014). (http://www.dx.doi.org/10.1038/ncomms4208).