Aparelho experimental de divisão de água da equipe. Crédito: Cockrell School of Engineering, The University of Texas at Austin

Durante décadas, pesquisadores de todo o mundo buscaram maneiras de usar a energia solar para gerar a reação chave para a produção de hidrogênio como fonte de energia limpa – dividir as moléculas de água para formar hidrogênio e oxigênio. No entanto, tais esforços falharam principalmente porque fazê-lo bem era muito caro e tentar fazê-lo com um custo baixo levava a um desempenho ruim.

Agora, pesquisadores da Universidade do Texas em Austin descobriram uma maneira de baixo custo de resolver metade da equação, usando a luz solar para separar com eficiência as moléculas de oxigênio da água. A descoberta, publicada recentemente na Nature Communications, representa um passo em frente em direção a uma maior adoção do hidrogênio como uma parte fundamental de nossa infraestrutura de energia.

Já na década de 1970, os pesquisadores investigavam a possibilidade de usar a energia solar para gerar hidrogênio. Mas a incapacidade de encontrar materiais com a combinação de propriedades necessárias para um dispositivo que pode realizar as principais reações químicas com eficiência evitou que ele se tornasse um método convencional.

“Você precisa de materiais que sejam bons para absorver a luz solar e, ao mesmo tempo, não se degradem enquanto ocorrem as reações de divisão da água”, disse Edward Yu, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Escola Cockrell. “Acontece que os materiais que são bons em absorver a luz solar tendem a ser instáveis ​​nas condições exigidas para a reação de divisão da água, enquanto os materiais estáveis ​​tendem a ser fracos na absorção de luz solar. Esses requisitos conflitantes levam você a uma compensação aparentemente inevitável, mas combinando vários materiais – um que absorve com eficiência a luz solar, como o silício, e outro que fornece boa estabilidade, como o dióxido de silício – em um único dispositivo, esse conflito pode ser resolvido.”

No entanto, isso cria outro desafio – os elétrons e buracos criados pela absorção da luz solar no silício devem ser capazes de se mover facilmente através da camada de dióxido de silício. Isso geralmente requer que a camada de dióxido de silício não tenha mais do que alguns nanômetros, o que reduz sua eficácia na proteção do absorvedor de silício da degradação.

A chave para esta inovação veio através de um método de criação de caminhos eletricamente condutores através de uma espessa camada de dióxido de silício que pode ser executada a baixo custo e dimensionada para altos volumes de fabricação. Para chegar lá, Yu e sua equipe usaram uma técnica implantada inicialmente na fabricação de chips eletrônicos semicondutores. Ao revestir a camada de dióxido de silício com uma fina película de alumínio e, em seguida, aquecer toda a estrutura, formam-se matrizes de “pontas” de alumínio em nanoescala que fazem uma ponte completa sobre a camada de dióxido de silício. Estes podem então ser facilmente substituídos por níquel ou outros materiais que ajudam a catalisar as reações de separação da água.

O gráfico mostra a geometria básica e a funcionalidade do dispositivo fotoanodo. Crédito: Cockrell School of Engineering, The University of Texas at Austin

Quando iluminados pela luz solar, os dispositivos podem oxidar água com eficiência para formar moléculas de oxigênio, ao mesmo tempo que geram hidrogênio em um eletrodo separado e exibem excelente estabilidade sob operação prolongada. Como as técnicas empregadas para criar esses dispositivos são comumente usadas na fabricação de eletrônicos semicondutores, eles devem ser fáceis de escalonar para produção em massa.

A equipe entrou com um pedido provisório de patente para comercializar a tecnologia.

Melhorar a maneira como o hidrogênio é gerado é a chave para seu surgimento como uma fonte de combustível viável. A maior parte da produção de hidrogênio hoje ocorre por meio do aquecimento a vapor e metano, mas isso depende muito de combustíveis fósseis e produz emissões de carbono.

Há um impulso para o ‘hidrogênio verde’, que usa métodos mais ecológicos para gerar hidrogênio. E simplificar a reação de divisão da água é uma parte fundamental desse esforço.

O hidrogênio tem potencial para se tornar um importante recurso renovável com algumas qualidades únicas. Já tem um papel preponderante em processos industriais importantes e está começando a aparecer na indústria automotiva. As baterias de célula de combustível parecem promissoras em caminhões de longa distância, e a tecnologia do hidrogênio pode ser uma bênção para o armazenamento de energia, com a capacidade de armazenar o excesso de energia eólica e solar produzida quando as condições são propícias.

No futuro, a equipe trabalhará para melhorar a eficiência da porção de oxigênio da separação da água, aumentando a taxa de reação. O próximo grande desafio dos pesquisadores é então passar para a outra metade da equação.

“Fomos capazes de abordar o lado do oxigênio da reação primeiro, que é a parte mais desafiadora”, disse Yu, “mas você precisa realizar as reações de evolução de hidrogênio e oxigênio para dividir completamente as moléculas de água, então é por isso que nosso próximo passo é examinar a aplicação dessas idéias para fazer dispositivos para a porção de hidrogênio da reação.”

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