“Trappole a gabbia” di ispirazione biochiusa

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4730 (2023) Citare questo articolo

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Nonostante i notevoli progressi compiuti nel campo delle celle solari a perovskite, le grandi preoccupazioni riguardo al potenziale rischio di contaminazione da Pb e ai rischi di vulnerabilità ambientale associati alle celle solari a perovskite rappresentano un ostacolo significativo alla loro commercializzazione nel mondo reale. In questo studio, ci siamo ispirati al comportamento intrappolante delle prede dei ragni e ai componenti chimici nella ragnatela per impiantare strategicamente una rete multifunzionale di carbonio mesoporoso ad innesto amminico nelle celle solari di perovskite, creando una trappola a gabbia biomimetica che potrebbe mitigare efficacemente la perdita di Pb e proteggerla. l’invasione esterna in condizioni meteorologiche estreme. Viene esplorato in modo approfondito il meccanismo sinergico di cattura del Pb in termini di chelazione chimica e adsorbimento fisico. Inoltre, viene proposta la valutazione della contaminazione da Pb delle celle solari in perovskite a fine vita nell’ecosistema del mondo reale, compresi l’acqua e il suolo del Fiume Giallo. È stato inoltre stabilito con successo il processo sostenibile di gestione del Pb a circuito chiuso che prevede quattro fasi critiche: precipitazione del Pb, adsorbimento del Pb, desorbimento del Pb e riciclaggio del Pb. I nostri risultati forniscono spunti stimolanti per promuovere l’industrializzazione verde e sostenibile delle celle solari alla perovskite.

Con la crescente crisi energetica globale, le celle solari alla perovskite (PSC) sono emerse come una promettente tecnologia di energia rinnovabile per ridurre l’impronta di carbonio in tutto il mondo. I PSC offrono compatibilità superiore e fabbricazione scalabile, posizionandoli per rivoluzionare il mercato fotovoltaico. Tuttavia, restano sfide significative da affrontare prima che possano essere applicate nella pratica. I cationi organici volatili (come CH3NH3+ o HNCH(NH3)+) e le proprietà del reticolo morbido delle PSC sono fonti di instabilità intrinseca, con conseguente diminuzione dell'efficienza del dispositivo e problemi di stabilità operativa a lungo termine1,2,3. In particolare, la decomposizione dei film di perovskite può portare alla formazione di composti tossici a base di Pb, tra cui PbI2, Pb o PbO, se esposti a stimoli esterni come umidità, illuminazione e calore. Questi composti possono potenzialmente fuoriuscire nell’ecosistema, sollevando preoccupazioni sulla sostenibilità ambientale4,5.

Recenti sforzi si sono concentrati sull'incapsulamento delle PSC per ridurre le perdite di Pb. Materiali di incapsulamento come poliuretano, poliisobutilene, grafene e Al2O3 sono stati applicati utilizzando il metodo fisico della pressa a caldo o della deposizione di strati atomici6,7,8,9. Tuttavia, questi strati di incapsulamento non possono impedire la diffusione della componente Pb se il dispositivo viene rotto sotto stress esterno a causa della limitata capacità di cattura del Pb. Mentre il complesso processo di preparazione aumenta anche i costi di produzione. Sono state proposte strategie di adsorbimento chimico che impiegano materiali chimici funzionali per l'adsorbimento esterno per ridurre al minimo le perdite di Pb. La maggior parte dei lavori pubblicati si concentra sullo sviluppo di un adsorbente al piombo semitrasparente che può essere installato sul lato che riceve la luce dei PSC. È necessaria un'elevata trasparenza ottica per evitare una diminuzione delle prestazioni fotovoltaiche, limitando lo spessore dell'adsorbente semitrasparente al Pb e compromettendo la capacità di adsorbimento del Pb e la resistenza ambientale. In pratica, il componente Pb fuoriuscito tende a fluire verso la parte posteriore del dispositivo a causa della gravità, e i materiali o le strategie corrispondenti rimangono limitati. Li et al. ha integrato una miscela polimerica a base di resina a scambio cationico (CER) e resina ultravioletta (UV) nel PSC10. Il componente Pb è stato adsorbito tramite la reazione di scambio cationico rapido tra abbondanti gruppi di acido solfonico (SO3−) e Pb2+, ottenendo un'efficienza di sequestro del Pb del 90%. Tuttavia, il potenziale rischio di inquinamento secondario derivante dai rifiuti solidi CER pericolosi è emerso come una questione ambientale. Inoltre, persistono preoccupazioni riguardanti le strategie di smaltimento sostenibile dei moduli fotovoltaici in perovskite a fine vita, a causa della potenziale minaccia degli ioni Pb tossici per l'ecosistema e la sicurezza della salute umana11,12,13,14. Questi inconvenienti potrebbero ostacolare seriamente l’applicazione commerciale delle PSC.