Material otimizado aumenta a eficiência de fotoeletrolisador para a produção de hidrogênio verde
22 de February de 2023
22 de February de 2023

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Flavio Leandro de Souza
UFABC - LNNano

Pesquisadores do CINE deram um passo importante no desenvolvimento de um fotoeletrolisador eficiente para a geração de hidrogênio verde.

Fotoeletrolisadores são equipamentos que dividem a molécula de água (H2O) usando a luz do Sol como fonte de energia. Seus principais componentes são o fotoanodo e o fotocatodo, os quais absorvem a luz e a transformam em cargas. Quando chegam à superfície do material, essas cargas propiciam reações de oxidação e redução da água, as quais geram, respectivamente, oxigênio (O2) e hidrogênio (H2).

Esses equipamentos oferecem uma forma simples, de baixo custo, sustentável e limpa de produzir hidrogênio. Contudo, a tecnologia ainda não é competitiva, e um dos principais desafios para torná-la viável em nível comercial é encontrar um material que atue de forma eficiente como fotoanodo, convertendo a energia da luz em elétrons capazes de oxidar a molécula de água.

Neste novo trabalho, os autores desenharam uma estratégia para otimizar um dos materiais mais utilizados como fotoanodo, a hematita (Fe2O3), que é um óxido de ferro muito abundante na Terra. O avanço levou a um aumento de 50% na eficiência do fotoeletrolisador.

Para chegar a esse resultado, os pesquisadores focaram a atenção nas interfaces onde ocorriam as maiores perdas de elétrons: entre a hematita e seu substrato, entre os grãos da hematita, e entre a hematita e a água. Os autores modificaram a hematita com elementos também abundantes, como nióbio e alumínio, por meio de um processo de fabricação simples, capaz de manipular todas essas interfaces.

O fotoanodo otimizado gerou uma corrente elétrica 6,7 vezes maior do que o fotoanodo de hematita convencional. “Acreditamos que esta pesquisa foi um grande passo em direção ao desenvolvimento dos primeiros protótipos nacionais para produção de hidrogênio verde via fotoeletrólise”, diz Flavio Leandro de Souza, professor da UFABC e coordenador do programa de H2 verde do LNNano/ CNPEM, que liderou o trabalho.

“O grande desafio foi controlar as interfaces para garantir que a energia da luz absorvida pelo material seja utilizada para promover as reações químicas que culminam na geração do H2”, conta Souza, que é pesquisador no programa Portadores Densos de Energia do CINE. “Essas interfaces impediam ou dificultavam que as cargas alcançassem a superfície do material que está em contato com a água”, completa.

De acordo com ele, os fotoanodos de ferro modificados ainda apresentam limitações que fazem necessária a aplicação de tensão elétrica externa no sistema para complementar a corrente fotogerada. Entretanto, para manter o caráter “verde” do hidrogênio, é possível utilizar energia fotovoltaica ou eólica ou, ainda, integrar concentradores de luz solar ao fotoeletrolisador.

O trabalho foi destacado na capa de um volume especial, dedicado a materiais para a área de energia, do Journal of the American Ceramic Society, periódico editado por The American Ceramic Society há mais de 100 anos.

Realizado no LNNano/CNPEM, com a colaboração de estudantes e pesquisadores da UFABC e do International Research Center for Renewable Energy (China), o estudo recebeu financiamento da FAPESP, Shell, CAPES, CNPq, NSFC (China), bem como o suporte estratégico da ANP.


Referência do artigo científico: On electron loss lowering at hematite photoelectrode interfaces. Karen C. Bedin, Ingrid Rodríguez-Gutiérrez, Lizandra R. P. Peregrino, Lionel Vayssieres, Flavio L. Souza. J Am Ceram Soc. 2023; 106:79–92. DOI: 10.1111/jace.18460

Autores do paper que são membros do CINE: Karen C. Bedin (pós-doc no programa Portadores Densos de Energia), Flavio L. Souza (pesquisador principal no programa Portadores Densos de Energia).

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