Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/11/2022
Produzir hidrogênio com luz
Produzido apenas com materiais de baixo custo e disponíveis comercialmente, um novo catalisador depende apenas do poder da luz para converter amônia em hidrogênio, o combustível limpo por excelência.
É a segunda inovação nessa área em poucos meses, mas o trabalho de Yigao Yuan e colegas da Universidade Rice, nos EUA, tem a vantagem de estar mais próxima do uso comercial do que a produção de hidrogênio por separação fotocatalítica da água, apresentada recentemente por uma equipe da Universidade de Viena, na Áustria.
Yuan e seus colegas desenvolveram um fotocatalisador feito de cobre e ferro, substituindo o caro rutênio, um metal nobre do grupo da platina.
Depois de testar o funcionamento da fotocatálise em laboratório, usando lasers, a equipe conseguiu repetir o feito usando reatores iluminados por LEDs, que já estão disponíveis comercialmente.
Os testes comprovaram que os catalisadores mantiveram sua eficiência sob iluminação LED e em uma escala 500 vezes maior do que a configuração do laboratório.
"Metais de transição, como o ferro, são tipicamente termocatalisadores ruins," disse a professora Naomi Halas, coordenadora da equipe. "Este trabalho mostra que eles podem ser fotocatalisadores plasmônicos eficientes. Também demonstra que a fotocatálise pode ser realizada de forma eficiente com fontes de fótons LED de baixo custo."
Catalisadores plasmônicos
Os melhores termocatalisadores são feitos de platina e metais preciosos do mesmo grupo, como paládio, ródio e rutênio. Mas a equipe vêm há alguns anos centrando sua atenção em nanopartículas metálicas ativadas por luz, ou nanopartículas plasmônicas - o nome deve-se aos plásmons de superfície, uma espécie de eletricidade gerada por luz na superfície dos metais.
Embora os melhores fotocatalisadores plasmônicos também sejam feitos com metais preciosos, como prata e ouro, a equipe havia descoberto que nanopartículas plasmônicas emitem elétrons de curta duração e alta energia, chamados "portadores quentes", o que os levou a produzir partículas híbridas, mesclando as nanopartículas plasmônicas com nanopartículas catalíticas, gerando o que a equipe chama de "reatores-antena", uma vez que as partículas capturam a luz, como se fossem uma antena, e usam sua energia para conduzir reações químicas com altíssima precisão.
Agora, eles finalmente conseguiram substituir os catalisadores de metais preciosos por metais "comuns" - especificamente, eles construíram reatores-antena com partículas de cobre e ferro, e demonstraram que eles são altamente eficientes na conversão de amônia, um composto químico largamente disponível e usado pela indústria química.
"Na ausência de luz, o catalisador de cobre-ferro apresentou uma reatividade cerca de 300 vezes menor do que os catalisadores de cobre-rutênio, o que não é surpreendente, já que o rutênio é o melhor termocatalisador para essa reação," contou o pesquisador Hossein Robatjazi. "Contudo, sob iluminação, o cobre-ferro apresentou eficiências e reatividades semelhantes e comparáveis às do cobre-rutênio."
Produção descentralizada de hidrogênio
O grande passo para converter essa descoberta de uma curiosidade de laboratório em uma aplicação prática veio quando os resultados se repetiram em reatores comuns, iluminados por LEDs.
"Este é o primeiro relato na literatura científica a mostrar que a fotocatálise com LEDs pode produzir quantidades em escala de grama de gás hidrogênio a partir da amônia," disse Halas. "Isso abre as portas para substituir completamente os metais preciosos na fotocatálise plasmônica."
E, embora a equipe esteja entusiasmada em que será possível escalonar a tecnologia - da escala das gramas para a escala das toneladas - o conceito já é interessante para a produção descentralizada de hidrogênio combustível, usando reatores pequenos e de baixo custo.
"Esta descoberta abre caminho para o hidrogênio sustentável e de baixo custo que pode ser produzido localmente, em vez de em grandes usinas centralizadas," disse o professor Peter Nordlander, membro da equipe.