Reator brasileiro gera hidrogênio verde usando luz solar, água e materiais de baixo custo

Em testes realizados em laboratório, o sistema funcionou de forma estável durante 120 horas; protótipo também foi verificado ao ar livre e manteve a mesma eficiência

Agência FAPESP * – Um sistema capaz de produzir hidrogênio sem emitir carbono, usando apenas luz solar, água e materiais amplamente disponíveis no Brasil, foi desenvolvido por pesquisadores do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). O protótipo do equipamento, chamado fotoeletrolisador, foi testado com sucesso, tanto em laboratório quanto ao ar livre, pelos autores de um trabalho publicado no periódico científico ACS Energy Letters.

Fotoeletrolisadores ainda não estão no mercado, mas representam uma possibilidade para a produção de hidrogênio verde. Diferentemente dos eletrolisadores convencionais, são autossuficientes do ponto de vista energético, ou seja, não precisam se conectar a uma fonte de energia para funcionar porque possuem um fotoânodo.

O fotoânodo é um dos dois eletrodos de um fotoeletrolisador. É capaz de absorver luz solar e utilizar diretamente a sua energia para promover uma série de reações eletroquímicas que, no final, resultam no desprendimento do hidrogênio da molécula de água. Entretanto, a produção em escala de fotoânodos eficientes e estáveis, usando materiais abundantes e de baixo custo, desafia a comunidade científica há décadas.

“Neste trabalho, apresentamos um avanço essencial nesse caminho ao superar um dos principais gargalos da área: a obtenção de um fotoânodo de hematita eficiente, estável e escalonável”, diz Flavio Leandro de Souza, professor da Universidade Federal do ABC (UFABC), pesquisador do LNNano-CNPEM e membro do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), que liderou a pesquisa. O CINE é um Centro de Pesquisa Aplicada (CPA) constituído pela FAPESP e pela Shell em 2018. É sediado na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Universidade de São Paulo (USP) e Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), com a participação de outras oito instituições brasileiras.

A hematita é um óxido de ferro abundante na natureza, considerado muito promissor para a fotoeletrólise, principalmente porque não se degrada em contato com a água. Na pesquisa, os cientistas conseguiram aumentar a eficiência do material sem diminuir sua estabilidade por meio da adição de pequenas quantidades de óxidos de alumínio e zircônio, que são materiais disponíveis no Brasil.

Preocupados com a escalabilidade dos processos, os pesquisadores desenvolveram um método de produção dos fotoânodos que pode ser levado à escala industrial. Com ele, a equipe produziu cem fotoânodos, todos com as mesmas propriedades. Usando esses eletrodos, os autores montaram um sistema modular: dez fotoânodos formam um fotoeletrolisador, e dez desses equipamentos operando em conjunto podem formar um módulo de um metro quadrado.

Nos testes realizados em laboratório com um simulador de luz solar, o sistema funcionou de forma estável durante 120 horas. Além disso, um protótipo formado por dois fotoeletrolisadores foi testado ao ar livre e manteve a mesma eficiência verificada no laboratório, além de demonstrar robustez.

O desenvolvimento e os testes da pesquisa foram realizados no CNPEM por um grupo de seis pesquisadores. A equipe contou com a colaboração do professor Renato Gonçalves, do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP), para construir o simulador de luz solar de grande área que foi usado nos testes laboratoriais.

Atualmente, os autores estão trabalhando no desenvolvimento do outro eletrodo do fotoeletrolisador, o cátodo. A ideia é que esse dispositivo também use apenas a luz do Sol como fonte de energia. “O próximo passo, já em andamento, é um módulo operando 100% com irradiação solar, com cada fotorreator composto por fotoânodo e fotocátodo”, diz Souza.

De acordo com o cientista, o sistema seria ideal para uso em indústrias que precisam de hidrogênio verde em pontos específicos, injetando diretamente o gás nos processos industriais. Por ser modular, a tecnologia permitiria adaptar facilmente tamanho e capacidade do fotoeletrolisador às necessidades da indústria.

Aumentar ainda mais a escala da produção dos equipamentos está dentro dos planos dos autores do trabalho, mas isso exige investimentos significativos em infraestrutura e segurança para fazer os testes necessários. “É uma etapa crucial, e a colaboração com empresas interessadas é essencial”, ressalta o pesquisador.

A pesquisa também contou com financiamento da FAPESP por meio do Centro de Pesquisa em Engenharia Molecular para Materiais Avançados (CEMol) .

O artigo Photoelectrode Fabrication and Modular PEC Reactor Integration for Stable Solar Hydrogen Production pode ser lido em: pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c02340.

* Com informações de Verónica Savignano, do CINE. Texto atualizado em 12/12.