Dois passos rumo ao hidrogênio extraído do ar com energia solar

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/01/2023

A grande inovação está no pequeno disco visto no centro do dispositivo.
[Imagem: Marina Caretti et al. - 10.1002/adma.202208740]

Hidrogênio solar extraído do ar

Um dispositivo que possa ser alimentado por energia solar, colete água a partir da umidade do ar ambiente e forneça hidrogênio, o combustível limpo por excelência, tem sido um sonho para pesquisadores, engenheiros e ambientalistas há décadas.

Agora, nada menos do que dois avanços simultâneos nessa área mostram que esse não é um sonho tão inatingível. E ambos em um nível de prontidão tecnológica mais avançado do que as duas novas formas de produzir hidrogênio descobertas no final do ano passado.

Marina Caretti e colegas da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, desenvolveram um sistema engenhoso, mas simples, que combina a tecnologia dos semicondutores usados na eletrônica e nas células solares com novos eletrodos para quebrar as moléculas de água em oxigênio e hidrogênio.

A grande inovação está exatamente nesses eletrodos, que têm duas características principais: Eles são porosos, para maximizar o contato com a água no ar, e são transparentes, para maximizar a exposição à luz solar do revestimento semicondutor.

O conjunto usa a energia solar para quebrar as moléculas de água presentes na umidade normal do ar, produzindo hidrogênio. Por isto, o mecanismo pode ser enquadrado na categoria da fotossíntese artificial, já que imita o modo como as plantas transformam a luz solar em energia química usando o dióxido de carbono do ar.

Revestidos com o material semicondutor coletor de luz, o mesmo das células solares, os eletrodos transparentes de difusão de gás de fato funcionam como uma folha artificial, coletando água do ar e usando a luz solar para produzir gás hidrogênio.

Embora a equipe não tenha ainda medido a eficiência de conversão de energia solar em hidrogênio, eles reconhecem que ela é modesta para este protótipo. Mas, com base nos materiais usados, a eficiência teórica máxima de conversão de energia solar em hidrogênio é de 12%, enquanto células a combustível líquidas do tipo PEC (células fotoeletroquímicas), uma tecnologia que pode ser considerada concorrente, podem alcançar uma eficiência de até 19%.

A mesma equipe já obteve uma eficiência de 14,2% na produção de hidrogênio solar usando materiais de alto custo e até 4,5% de eficiência na conversão fotoeletroquímica da água usando materiais de baixo custo.

Se 9% de eficiência parece pouco, isso é dezenas de vezes mais eficiente do que a fotossíntese natural.
[Imagem: Peng Zhou et al. - 10.1038/s41586-022-05399-1]

Painel de fotossíntese artificial

A segunda novidade veio pelas mãos de Peng Zhou e colegas da Universidade de Michigan, nos EUA, que construíram um novo tipo de painel solar que alcançou 9% de eficiência na conversão de água em hidrogênio e oxigênio, também imitando a fotossíntese.

Como opera ao ar livre, e não em condições controladas de laboratório, o protótipo representa um grande salto na tecnologia, sendo quase 10 vezes mais eficiente do que experimentos solares de divisão de água desse tipo.

Aqui, foram duas inovações, a primeira consistindo na redução da quantidade necessária do semicondutor responsável pela coleta da energia solar. Como este é o elemento mais caro da tecnologia, isso representa uma redução nos custos do hidrogênio solar.

"Nós reduzimos o tamanho do semicondutor em mais de 100 vezes em comparação com alguns semicondutores que trabalham apenas com baixa intensidade de luz," disse Peng Zhou, destacando que essa redução permite concentrar a luz solar por meio de lentes até 160 vezes o brilho normal do Sol sem danificar os semicondutores, o que aumenta muito a eficiência operacional da célula, embora imponha outras restrições de engenharia para uso prático.

A segunda inovação está na capacidade de usar a parte de maior energia do espectro solar para dividir a água, e a parte inferior do espectro para fornecer calor, que estimula a reação. Isso foi possível com o desenvolvimento de um catalisador semicondutor que se autoconserta, resistindo à degradação que os catalisadores geralmente sofrem quando aproveitam a luz solar para conduzir reações químicas.

O catalisador é feito de nanoestruturas de nitreto de índio e gálio, cultivadas em uma superfície de silício. Essa bolacha semicondutora captura a luz, convertendo-a em elétrons livres e lacunas - cargas positivas, deixadas quando os elétrons são liberados pela luz. As nanoestruturas são salpicadas com aglomerados de metal em nanoescala, com 1/2000 de milímetro de diâmetro, que usam esses elétrons e lacunas para ajudar a direcionar a reação.

A concentração da luz solar gera temperaturas muito mais altas, que aceleram o processo de separação da água, e o calor extra ainda ajuda a manter o hidrogênio e o oxigênio separados, em vez de renovar suas ligações e formar água novamente. Ambos ajudaram a equipe a coletar mais hidrogênio.

Os próximos desafios que a equipe pretende enfrentar são melhorar ainda mais a eficiência e obter hidrogênio de pureza alta o suficiente para que ele possa ser injetado diretamente nas células de combustível, produzindo eletricidade.

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