Geração de hidrogênio verde fica 50% mais eficiente

Com informações da Agência Fapesp - 31/03/2023

A inovação envolveu a melhoria das três interfaces existentes no eletrodo negativo do eletrolisador.
[Imagem: Karen C. Bedin et al. - 10.1111/jace.18460]

Hidrogênio verde

Uma equipe de pesquisadores do Brasil e da China conseguiu melhorar em 50% o processo de produção do "hidrogênio verde", um combustível limpo por excelência.

Embora seja uma fonte de energia renovável e não emita carbono quando é utilizado - seu uso só produz água como resíduo - o hidrogênio hoje ainda é quase totalmente produzido pela reforma do metano, ou seja, com uma pegada de carbono semelhante à de qualquer derivado dos combustíveis fósseis.

Para torná-lo totalmente limpo, existem diversas tecnologias do tipo fotossíntese artificial, por exemplo usando a luz solar para fazer a fotoeletrólise da água, seja diretamente, seja por intermédio da eletricidade produzida por células solares - esses mecanismos produzem o chamado hidrogênio solar.

Uma dessas tecnologias usa fotoeletrolisadores, formados por eletrodos negativos e positivos que absorvem a luz e produzem cargas elétricas, de modo muito parecido com as células solares. Quando chegam à superfície do material, essas cargas propiciam reações de oxidação e redução na molécula da água, gerando oxigênio e 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 (eletrodo negativo acionado pela luz), convertendo a energia da luz solar em elétrons capazes de oxidar a água.

Foi justamente aqui que pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), Universidade Federal do ABC (UFABC) e do Centro Internacional de Pesquisas em Energia Renovável, na China, obtiveram um sucesso significativo.

O processo de otimização é simples e usa apenas materiais comuns.
[Imagem: Karen C. Bedin et al. - 10.1111/jace.18460]

Hematita

A pesquisadora Karen Bedin descobriu como otimizar um dos materiais mais empregados como fotoanodo, a hematita (Fe₂O₃), que é um óxido de ferro muito abundante.

A melhoria envolveu alterações nas interfaces entre a hematita e seu substrato, entre os grãos da hematita e entre o mineral e a água. Era nessas interfaces onde ocorriam as maiores perdas de elétrons, reduzindo a eficiência do processo. Para modificar a hematita foram usados elementos também abundantes, como nióbio e alumínio, por meio de um processo de fabricação simples, capaz de lidar com todas as interfaces.

O resultado foi um aumento impressionante de 50% na eficiência do fotoeletrolisador. 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," disse o professor Flávio de Souza, que coordenou o trabalho.

Mas os fotoanodos de ferro modificados ainda apresentam limitações, exigindo a aplicação de uma tensão elétrica externa no sistema para complementar a corrente gerada a partir da luz. Ainda assim, é possível manter o caráter verde do hidrogênio utilizando energia fotovoltaica ou eólica ou, ainda, integrando concentradores de luz solar ao fotoeletrolisador.

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