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Energia

Hidrogênio limpo e verde produzido com luz de LEDs

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/11/2022

Hidrogênio limpo e verde produzido com luz de LEDs
Reator fotocalítico de LED gerando hidrogênio com o novo catalisador plasmônico de cobre-ferro.
[Imagem: Brandon Martin/Rice University]

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."

Hidrogênio limpo e verde produzido com luz de LEDs
Diagrama do sistema, incluindo a célula de reação (esquerda). A iluminação é feita com LEDs emitindo luz com comprimento de onda de 470 nanômetros.
[Imagem: Syzygy Plasmonics]

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.

Bibliografia:

Artigo: Earth-abundant photocatalyst for H2 generation from NH3 with light-emitting diode illumination
Autores: Yigao Yuan, Linan Zhou, Hossein Robatjazi, Junwei Lucas Bao, Jingyi Zhou, Aaron Bayles, Lin Yuan, Minghe Lou, Minhan Lou, Suman Khatiwada, Emily A. Carter, Peter Nordlander, Naomi J. Halas
Revista: Science
Vol.: 378, Issue 6622 pp. 889-893
DOI: 10.1126/science.abn5636
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