Pesquisador do CINE lidera desenvolvimento de fotoeletrolisador escalável
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Um artigo científico recentemente publicado no prestigiado periódico ACS Energy Letters apresenta um sistema capaz de produzir hidrogênio sem gerar emissões de carbono, usando apenas luz solar e água (recursos gratuitos e abundantes) e materiais amplamente disponíveis no Brasil. Um protótipo do equipamento, que é um fotoeletrolisador, foi produzido e testado pelos autores do trabalho com sucesso, tanto no laboratório quanto ao ar livre.
Fotoeletrolisadores ainda não estão no mercado, mas representam uma interessante possibilidade para a produção de hidrogênio verde. Diferentemente dos eletrolisadores convencionais, estes equipamentos são autossuficientes do ponto de vista energético; eles não precisam se conectar a uma fonte de energia para funcionar porque possuem um importante componente, o fotoânodo.
O fotoânodo é um dos dois eletrodos de um fotoeletrolisador. Ele é capaz de absorver luz solar e utilizar diretamente a sua energia para promover uma série de reações eletroquímicas que, no final, resultam no desprendimento do hidrogênio da molécula de água. Entretanto, a produção em escala de fotoânodos eficientes e estáveis, usando materiais abundantes e de baixo custo, tem desafiado a comunidade científica há várias décadas.
“Neste trabalho, apresentamos um avanço essencial nesse caminho, ao superar um dos principais gargalos da área: a obtenção de um fotoânodo de hematita eficiente, estável e escalonável”, diz Flavio Leandro de Souza, professor da UFABC, pesquisador do LNNano – CNPEM e membro do CINE, que liderou a pesquisa.
A hematita é um óxido de ferro abundante na natureza, considerado muito promissor para a fotoeletrólise, principalmente porque ele não se degrada em contato com a água. No novo trabalho, os autores conseguiram aumentar a eficiência do material sem diminuir sua estabilidade, por meio da adição de pequenas quantidades de óxidos de alumínio e zircônio, que são materiais disponíveis no Brasil.
Preocupados com a escalabilidade dos processos, os pesquisadores desenvolveram um método de produção dos fotoânodos que pode ser levado à escala industrial. Com ele, a equipe produziu 100 fotoânodos, todos com as mesmas propriedades. Usando esses eletrodos, os autores montaram um sistema modular: 10 fotoânodos formam um fotoeletrolisador, e dez desses equipamentos operando em conjunto podem formar um módulo de um metro quadrado.
Nos testes realizados em laboratório com um simulador de luz solar, o sistema funcionou de forma estável durante 120 horas. Além disso, um protótipo formado por dois fotoeletrolisadores foi testado ao ar livre e manteve a mesma eficiência verificada no laboratório, além de demonstrar robustez.
O desenvolvimento e os testes da pesquisa foram todos realizados no CNPEM por um grupo de seis pesquisadores. A equipe contou com a colaboração do professor Renato Gonçalves, do IFSC-USP, para construir o simulador de luz solar de grande área que foi usado nos testes laboratoriais.
Atualmente, os autores estão trabalhando no desenvolvimento do outro eletrodo do fotoeletrolisador, o cátodo. A ideia é que esse dispositivo também use, apenas, a luz do Sol como fonte de energia. “O próximo passo, já em andamento, é um módulo operando 100% com irradiação solar, com cada fotorreator composto por fotoânodo e fotocátodo”, anuncia o professor Flavio.
De acordo com o cientista, o sistema seria ideal para uso em indústrias que precisam de hidrogênio verde em pontos específicos, injetando diretamente o gás nos processos industriais. Por ser modular, a tecnologia permitiria adaptar facilmente o tamanho e capacidade do fotoeletrolisador às necessidades da indústria.
Aumentar ainda mais a escala da produção dos equipamentos está dentro dos planos dos autores do trabalho, mas isso exigiria investimentos significativos em infraestrutura e segurança para fazer os testes necessários. “É uma etapa crucial, e a colaboração com empresas interessadas é essencial”, diz o professor Flavio.
Esta pesquisa contou com financiamento da FAPESP, Shell, CNPq e Capes, além do suporte estratégico da ANP.
Referência do artigo científico: Rodríguez-
Membros do CINE que participaram do trabalho: Flavio L. de Souza.
Contato
Flavio Leandro de Souza
UFABC e CNPEM
