Otimização de material aumenta em 50% a eficiência de equipamento para produzir hidrogênio verde

Pesquisa conduzida por grupos do CNPEM e da UFABC representa um avanço em direção ao desenvolvimento dos primeiros protótipos nacionais para produção desse combustível por fotoeletrólise

Agência FAPESP* – Embora seja uma fonte de energia renovável e que não emite carbono quando é utilizada, o hidrogênio – na maioria dos casos – não pode ser considerado um combustível “verde”, pois os métodos usados para produzi-lo são emissores de gases do efeito estufa.

Uma das tecnologias capazes de gerar hidrogênio verde a baixo custo é a fotoeletrólise da água, que utiliza uma fonte de energia limpa, como a luz solar, para gerar eletricidade e dividir a molécula de água. O processo é realizado em fotoeletrolisadores, formados por um fotoanodo e um fotocatodo – polos negativos e positivos – que absorvem a luz e a transformam em cargas. Quando chegam à superfície do material, essas cargas propiciam reações de oxidação e redução na molécula da água, gerando oxigênio e hidrogênio. Contudo, a tecnologia ainda não é competitiva, porque um dos principais desafios para torná-la viável em nível comercial é encontrar um material que atue de forma eficiente como fotoanodo, convertendo a energia da luz em elétrons capazes de oxidar a água.

Tentando superar esse desafio científico, uma equipe de pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), da Universidade Federal do ABC (UFABC) e do International Research Center for Renewable Energy (China) desenvolveu uma estratégia para otimizar um dos materiais mais empregados como fotoanodo, a hematita (Fe₂O₃), que é um óxido de ferro muito abundante na Terra. O avanço levou a um aumento de 50% na eficiência do fotoeletrolisador.

O trabalho foi descrito em artigo e na capa de um volume especial, dedicado a materiais para a área de energia, do Journal of the American Ceramic Society.

Para chegar a esse resultado, os pesquisadores focaram a atenção nas interfaces em que ocorriam as maiores perdas de elétrons: entre a hematita e seu substrato, entre os grãos dela e entre o mineral e a água. Os autores modificaram a hematita com elementos também abundantes, como nióbio e alumínio, por meio de um processo de fabricação simples, capaz de manipular todas essas interfaces.

O fotoanodo otimizado gerou uma corrente elétrica 6,7 vezes maior do que o fotoanodo de hematita convencional. “Acreditamos que esta pesquisa foi um grande passo em direção ao desenvolvimento dos primeiros protótipos nacionais para produção de hidrogênio verde via fotoeletrólise”, diz Flavio Leandro de Souza, que liderou o trabalho.

Souza é professor da UFABC, coordenador do programa de hidrogênio verde do CNPEM e pesquisador do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído por FAPESP e Shell, que reúne grupos de pesquisa de várias instituições.

“O grande desafio foi controlar as interfaces para garantir que a energia da luz absorvida pelo material seja utilizada para promover as reações químicas que culminam na geração do hidrogênio”, conta Souza. “Essas interfaces impediam ou dificultavam que as cargas alcançassem a superfície do material em contato com a água”, completa.

De acordo com ele, os fotoanodos de ferro modificados ainda apresentam limitações que fazem necessária a aplicação de tensão elétrica externa no sistema para complementar a corrente gerada a partir da luz. Entretanto, para manter o caráter “verde” do hidrogênio, é possível utilizar energia fotovoltaica ou eólica ou, ainda, integrar concentradores de luz solar ao fotoeletrolisador.

O artigo On electron loss lowering at hematite photoelectrode interfaces pode ser lido em: https://ceramics.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jace.18460.

* Com informações do CINE, um Centro de Pesquisa em Engenharia apoiado pela FAPESP.