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Os engenheiros da Rice University podem transformar a luz solar em hidrogênio com eficiência recorde graças a um dispositivo que combina semicondutores de perovskita haleto de última geração com eletrocatalisadores em um único dispositivo durável, econômico e escalável.
A nova tecnologia é um passo significativo para a energia limpa e pode servir como uma plataforma para uma ampla gama de reações químicas que usam eletricidade coletada pela energia solar para converter matérias-primas em combustíveis.
O laboratório do engenheiro químico e biomolecular Aditya Mohite construiu o fotorreator integrado usando uma barreira anticorrosiva que isola o semicondutor da água sem impedir a transferência de elétrons. De acordo com um estudo publicado na Natureza Comunicaçõeso dispositivo alcançou uma eficiência de conversão de 20,8% de energia solar para hidrogênio.
“Usar a luz solar como fonte de energia para fabricar produtos químicos é um dos maiores obstáculos para uma economia de energia limpa”, disse Austin Fehr, estudante de doutorado em engenharia química e biomolecular e um dos principais autores do estudo. “Nosso objetivo é construir plataformas economicamente viáveis que possam gerar combustíveis derivados da energia solar. Aqui, projetamos um sistema que absorve a luz e completa a química eletroquímica da divisão da água em sua superfície.”
O dispositivo é conhecido como célula fotoeletroquímica porque a absorção de luz, sua conversão em eletricidade e o uso da eletricidade para alimentar uma reação química ocorrem no mesmo dispositivo. Até agora, o uso da tecnologia fotoeletroquímica para produzir hidrogênio verde era dificultado pela baixa eficiência e pelo alto custo dos semicondutores.
“Todos os dispositivos desse tipo produzem hidrogênio verde usando apenas luz solar e água, mas o nosso é excepcional porque tem eficiência recorde e usa um semicondutor muito barato”, disse Fehr.
O laboratório Mohite e seus colaboradores criaram o dispositivo transformando sua célula solar altamente competitiva em um reator que poderia usar a energia coletada para dividir a água em oxigênio e hidrogênio. O desafio que eles tiveram que superar foi que as perovskitas haletos são extremamente instáveis em água e os revestimentos usados para isolar os semicondutores acabaram interrompendo sua função ou danificando-os.
“Nos últimos dois anos, nós tentamos diferentes materiais e técnicas”, disse Michael Wong, engenheiro químico da Rice e coautor do estudo.
Depois que longos testes falharam em produzir o resultado desejado, os pesquisadores finalmente encontraram uma solução vencedora.
“Nossa principal percepção foi que você precisava de duas camadas para a barreira, uma para bloquear a água e outra para fazer um bom contato elétrico entre as camadas de perovskita e a camada protetora”, disse Fehr. “Nossos resultados são a maior eficiência para células fotoeletroquímicas sem concentração solar e o melhor geral para aqueles que usam semicondutores de perovskita haleto.
“É a primeira vez em um campo que tem sido historicamente dominado por semicondutores proibitivamente caros e pode representar um caminho para a viabilidade comercial desse tipo de dispositivo pela primeira vez”, disse Fehr.
Os pesquisadores mostraram que seu design de barreira funcionou para diferentes reações e com diferentes semicondutores, tornando-o aplicável em muitos sistemas.
“Esperamos que tais sistemas sirvam como uma plataforma para direcionar uma ampla gama de elétrons para reações de formação de combustível usando matérias-primas abundantes com apenas a luz solar como entrada de energia”, disse Mohite.
“Com mais melhorias na estabilidade e escala, esta tecnologia pode abrir a economia do hidrogênio e mudar a forma como os humanos fazem as coisas de combustível fóssil para combustível solar”, acrescentou Fehr.
Os estudantes de pós-graduação de Rice, Ayush Agrawal e Faiz Mandani, são os principais autores do estudo ao lado de Fehr. O trabalho também foi parcialmente de autoria do Laboratório Nacional de Energia Renovável, que é operado pela Alliance for Sustainable Energy LLC para o Departamento de Energia sob o Contrato DE-AC36-08GO28308.
Mohite é professor associado de engenharia química e biomolecular e diretor do corpo docente da Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability, ou REINVENTS. Wong é o Tina and Sunit Patel Professor in Molecular Nanotechnology, presidente e professor de engenharia química e biomolecular, e professor de química, ciência de materiais e nanotecnologia, bem como engenharia civil e ambiental.
A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia (DE-EE0008843), SARIN Energy Inc. e Autoridade de Equipamentos Compartilhados de Rice.
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