Hidrogênio produzido da água e da luz é opção como combustível
Pesquisadores do Departamento de Química da Universidade da Carolina do Norte, em Chapel Hill, projetaram nano fios de silício que podem converter a luz do sol em eletricidade, separando o oxigênio e o gás hidrogênio da água – para produzir uma alternativa de combustível mais ecológico do que os combustíveis fósseis.
Cinquenta anos atrás, os cientistas demonstraram pela primeira vez que a água em seu estado líquido pode ser dividida em oxigênio e gás hidrogênio usando eletricidade produzida pela iluminação de um eletrodo semicondutor. Embora o hidrogênio gerado com energia solar seja uma forma promissora de energia limpa, sua baixa eficiência e altos custos impediram que usinas comerciais de hidrogênio movidas a energia solar prosperassem.
No estudo em questão, uma análise de viabilidade econômica sugere que o uso de uma pasta de eletrodos feitos de nano partículas (em vez de um design rígido de painel solar) poderia reduzir substancialmente os custos da produção de hidrogênio via energia solar, tornando-o competitivo com os dos combustíveis fósseis. No entanto, a maioria dos catalisadores ativados por luz com base em partículas existentes (também conhecidos como foto catalisadores) absorve apenas a radiação ultravioleta, limitando sua eficiência de conversão de energia pela iluminação solar.
James Cahoon, professor-doutor de química na Faculdade de Artes e Ciências, da Universidade da Carolina do Norte, em Chapel Hill, e seus colegas de departamento têm trabalhado na síntese química de nano materiais semicondutores com propriedades físicas únicas e que podem permitir uma variedade de tecnologias, desde células solares a memória de estado sólido. Cahoon é o autor correspondente das descobertas publicadas no periódico científico Nature, em 9 de fevereiro último.
Cahoon e sua equipe projetaram novos nano fios de silício para que pudessem ter várias células solares ao longo de seu eixo e também para que pudessem produzir a energia necessária para dividir a água.
“Este design não tem precedentes em projetos de reatores anteriores e permite que o silício seja usado pela primeira vez em um PSR”, explicou Taylor Teitsworth, pós-doutorando no laboratório de Cahoon.
O silício absorve a luz visível e infravermelha e historicamente tem sido a melhor escolha para células solares, também conhecidas como células fotovoltaicas e semicondutores, por conta desta e de outras propriedades, incluindo sua abundância, baixa toxicidade e estabilidade.
Com suas propriedades eletrônicas, a única maneira de fazer a divisão da água de forma wireless (sem fio) com partículas de silício é pela codificação de várias células fotovoltaicas em cada partícula. Isso pode ser alcançado ao gerar partículas contendo múltiplas interfaces (chamadas junções) entre duas formas diferentes de silício – semicondutores tipo p e tipo n.
Anteriormente, a pesquisa de Cahoon se concentrava em uma síntese modelo bottom-up e modulação espacialmente controlada de silicone com boro para nano fios do tipo p e com fósforo para nano fios do tipo n, no sentido de conferir geometrias e funcionalidades desejáveis.
“Usamos essa abordagem para criar uma nova classe de nano partículas multi junção divisoras de água. Elas combinam as vantagens materiais e econômicas do silício com as vantagens fotônicas dos nano fios que têm um diâmetro menor do que o comprimento de onda da luz absorvida”, disse Cahoon. “Por conta da assimetria inerente das junções dos fios, fomos capazes de usar um método eletroquímico movido pela luz para depositar os co-catalisadores seletivamente nas extremidades dos fios e permitir a separação da água.”
Mais informação: Taylor Teitsworth et al. Water splitting with silicon p–i–n superlattices suspended in solution, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05549-5.
Designer silicon nanowires produce hydrogen from water and light, Nature (2023). DOI: 10.1038/d41586-023-00154-6
Fonte: Nature.
Artigo original (em inglês) publicado pela Phys.Org.
