ZapingNews: Cientistas conseguem maneira fácil de produzir hidrogénio limpo

Os investigadores descobriram uma maneira de baixo custo de resolver metade da equação da divisão da água para produzir hidrogênio como energia limpa, usando a luz solar para separar com eficiência as moléculas de oxigénio da água. A descoberta representa um passo em frente na utilização do hidrogénio como uma parte fundamental dos combustíveis utilizados na produção de energia.

Durante décadas, investigadores de todo o mundo procuram maneiras de usar a energia solar para gerar a reação-chave na produção de hidrogénio como fonte de energia limpa, dividindo as moléculas de água para formar hidrogénio e oxigénio. No entanto, esses esforços falharam principalmente porque fazê-lo bem era muito caro e tentar fazê-lo com baixo custo não tem o desempenho necessário.

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A criação e o futuro dos motores a hidrogénio

Agora, investigadores da Universidade do Texas em Austin descobriram uma maneira de baixo custo para resolver metade da equação, usando a luz solar para separar com eficiência as moléculas de oxigénio da água. A descoberta, publicada recentemente na Nature Communications , representa um passo em frente em direção a uma maior adoção do hidrogénio como uma parte fundamental dos combustíveis utilizados na produção de energia.

Já na década de 1970, os cientistas investigavam a possibilidade de usar a energia solar para gerar hidrogénio. 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.

"São necessários materiais que sejam bons em absorver a luz do sol 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 conflituantes levam 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 nanómetros, o que reduz sua eficácia na proteção do absorvedor de silício da degradação.

A chave para essa 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 fabrico. 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.

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

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

Melhorar a forma como o hidrogénio é gerado é a chave para seu surgimento como uma fonte de combustível viável. A maior parte da produção de hidrogénio 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 "hidrogénio verde", que usa métodos mais ecológicos para gerar hidrogénio. E simplificar a reação de divisão da água é uma parte fundamental desse esforço.

O hidrogénio 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 automóvel. As baterias de célula de combustível parecem promissoras em camiões de longa distância, e a tecnologia do hidrogénio 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 estão propícias.

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

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

Esta pesquisa foi financiada pela Fundação Nacional de Ciência dos Estados Unidos, por meio da Diretoria de Engenharia e do programa de Centros de Engenharia e Ciência de Pesquisa de Materiais (MRSEC). Yu trabalhou no projeto com os alunos Soonil Lee e Alex De Palma da UT Austin, juntamente com Li Ji, um professor da Universidade Fudan na China.