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Pesquisadores da Universidade Estadual do Oregon desenvolveram um material que demonstra uma capacidade notável de converter luz solar e água em energia limpa.
Uma colaboração liderada por Kyriakos Stylianou, da Faculdade de Ciências da OSU, criou um fotocatalisador que permite a produção de hidrogênio em alta velocidade e alta eficiência, usado em células de combustível para carros, bem como na fabricação de muitos produtos químicos, incluindo amônia, no refino de metais e na fabricação de plásticos.
As descobertas representam uma nova ferramenta potencial para uso contra emissões de gases de efeito estufa e mudanças climáticas, disse Stylianou, cuja pesquisa se concentra em materiais cristalinos e porosos conhecidos como estruturas metalorgânicas, geralmente abreviadas como MOFs.
Feitos de íons metálicos carregados positivamente cercados por moléculas “ligantes” orgânicas, os MOFs têm poros nanométricos e propriedades estruturais ajustáveis. Eles podem ser projetados com uma variedade de componentes que determinam as propriedades do MOF.
Neste estudo, os pesquisadores usaram um MOF para derivar uma heterojunção de óxido metálico — uma combinação de dois materiais com propriedades complementares — para criar um catalisador que, quando exposto à luz solar, divide a água em hidrogênio de forma rápida e eficiente.
A heterojunção, à qual eles se referem como RTTA, apresenta óxido de rutênio derivado de MOF e óxido de titânio dopados com enxofre e nitrogênio. Eles testaram vários RTTAs com diferentes quantidades de óxidos e encontraram um vencedor claro.
“Entre vários materiais RTTA, o RTTA-1, com o menor teor de óxido de rutênio, apresentou a maior taxa de produção de hidrogênio e um alto rendimento quântico”, disse Stylianou.
Em apenas uma hora, ele observou, um grama de RTTA-1 foi capaz de produzir mais de 10.700 micromoles de hidrogênio. Esse processo utilizou fótons — partículas de luz — a uma taxa impressionante de 10%, o que significa que para cada 100 fótons que atingiram o RTTA-1, 10 contribuíram para a produção de hidrogênio.
“A atividade notável do RTTA-1 é devido aos efeitos sinérgicos das propriedades dos óxidos metálicos e das propriedades de superfície do MOF original que aumentam a transferência de elétrons”, disse Stylianou. “Este estudo destaca o potencial das heterojunções de óxidos metálicos derivadas do MOF como fotocatalisadores para produção prática de hidrogênio, contribuindo para o desenvolvimento de soluções de energia sustentáveis e eficientes.”
Produzir hidrogênio pela divisão da água por meio de um processo catalítico é mais limpo do que o método convencional de derivar hidrogênio do gás natural por meio de um processo de produção de dióxido de carbono conhecido como reforma a vapor de metano.
Os processos catalíticos atuais para produzir hidrogênio a partir da água envolvem eletrocatálise — passando eletricidade pelo catalisador. A sustentabilidade da eletrocatálise depende do uso de energia renovável, e para ser competitiva no mercado a energia tem que ser barata.
Atualmente, a reforma a vapor de metano produz hidrogênio a um custo de cerca de US$ 1,50 por quilo, em comparação com cerca de US$ 5 por quilo do hidrogênio verde.
“A água é uma fonte abundante de hidrogênio, e a fotocatálise oferece um método para aproveitar a energia solar abundante da Terra para a produção de hidrogênio”, disse Stylianou. “O óxido de rutênio não é barato, mas a quantidade usada em nosso fotocatalisador é mínima. Para aplicações industriais, se um catalisador mostra boa estabilidade e reprodutibilidade, o custo dessa pequena quantidade de óxido de rutênio se torna menos importante.”
A Faculdade de Ciências, o Departamento de Química da faculdade e os professores aposentados de escolas públicas e ex-alunos da OSU, Brian e Marilyn Kleiner, forneceram financiamento para a pesquisa, que foi publicada em Química Aplicada.
O projeto foi liderado pelos alunos de pós-graduação Emmanuel Musa, Ankit Yadav e Kyle Smith, e envolveu a colaboração de Xiulei “David” Ji, professor de química na OSU; Peter Eschbach, diretor do Centro de Microscopia Eletrônica do Centro de Ciências Linus Pauling da Universidade Estadual do Oregon; o pesquisador de pós-doutorado Min Soo Jung; e o membro do corpo docente William Stickle.
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