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Os planos de energia limpa, incluindo o “Roteiro do Hidrogênio Limpo” da Lei de Investimento em Infraestrutura dos Estados Unidos, contam com o hidrogênio como combustível do futuro. Mas a tecnologia atual de separação de hidrogênio ainda está aquém das metas de eficiência e sustentabilidade. Como parte dos esforços contínuos para desenvolver materiais que possam permitir fontes alternativas de energia, pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Universidade de Drexel produziram um material de nanofilamento de óxido de titânio que pode aproveitar a luz solar para liberar o potencial da molécula onipresente como fonte de combustível.
A descoberta oferece uma alternativa aos métodos atuais que geram gases de efeito estufa e consomem muita energia. A fotocatálise, um processo que pode separar o hidrogênio da água usando apenas a luz solar, foi explorada por várias décadas, mas permaneceu uma consideração mais distante porque os materiais catalisadores que permitem o processo só podem sobreviver por um dia ou dois, o que limita sua longa duração. eficiência de prazo e, conseqüentemente, sua viabilidade comercial.
O grupo de Drexel, liderado pelos pesquisadores da Faculdade de Engenharia Michel Barsoum, PhD, e Hussein O. Badr, PhD, em colaboração com cientistas do Instituto Nacional de Física de Materiais em Bucareste, Romênia, relatou recentemente sua descoberta de óxido de titânio fotocatalítico à base de, um Material de nanofilamento tridimensional que pode ajudar a luz solar a coletar hidrogênio da água por meses a fio. Seu artigo “Photo-stable, 1D-nanofilaments TiO2-based lepidocrocite for photocatalytic hidrogênio production in water-methanol mixs”, publicado na revista Matéria, apresenta um caminho sustentável e acessível para a criação de combustível de hidrogênio, de acordo com os autores.
“Nosso fotocatalisador de nanofilamentos unidimensionais de óxido de titânio mostrou uma atividade substancialmente maior – em uma ordem de grandeza – do que sua contraparte comercial de óxido de titânio”, disse Hussein. “Além disso, nosso fotocatalisador se mostrou estável em água por 6 meses – esses resultados representam uma nova geração de fotocatalisadores que podem finalmente lançar a tão esperada transição de nanomateriais do laboratório para o mercado”.
O grupo de Barsoum descobriu nanoestruturas derivadas de hidróxidos (HDNs) – a família de nanomateriais de óxido de titânio, à qual pertence o material fotocatalítico – há dois anos, enquanto trabalhava em um novo processo para fabricar materiais MXene, que os pesquisadores da Drexel estão explorando para uma série de aplicações. Em vez de usar o ácido fluorídrico cáustico padrão para remover quimicamente os MXenes bidimensionais em camadas de um material chamado fase MAX, o grupo usou uma solução aquosa de uma base orgânica comum, o hidróxido de tetrametilamônio.
Mas, em vez de produzir um MXene, a reação produziu fios finos e fibrosos à base de óxido de titânio – que a equipe descobriria possuir a capacidade de facilitar a reação química que separa o hidrogênio das moléculas de água quando expostas à luz solar.
“Os materiais de óxido de titânio já demonstraram habilidades fotocatalíticas, então testar nossos novos nanofilamentos para esta propriedade foi uma parte natural do nosso trabalho”, disse ele. “Mas não esperávamos descobrir que eles não são apenas fotocatalíticos, mas também catalisadores extremamente estáveis e produtivos para a produção de hidrogênio a partir de misturas de água e metanol.”
O grupo testou cinco materiais fotocatalisadores – HDNs baseados em óxido de titânio, derivados de vários materiais precursores de baixo custo e prontamente disponíveis – e os comparou com o material de óxido de titânio da Evonik Aeroxide, chamado P25, que é amplamente aceito como o material fotocatalisador mais próximo de Viabilidade comercial.
Cada material foi submerso em uma solução de água e metanol e exposto à luz visível ultravioleta produzida por uma lâmpada iluminadora sintonizável que imita o espectro do sol. Os pesquisadores mediram a quantidade de hidrogênio produzido e a duração da atividade em cada conjunto do reator, bem como o número de fótons da luz que produziram hidrogênio quando interagiram com o material catalisador – uma métrica para entender a eficiência catalítica de cada material. .
Eles descobriram que todos os cinco fotocatalisadores HDNs baseados em óxido de titânio tiveram um desempenho mais eficiente no uso da luz solar para produzir hidrogênio do que o material P25. Um deles, derivado do carboneto de titânio binário, é 10 vezes mais eficiente que o P25 ao permitir que os fótons separem o hidrogênio da água.
Essa melhoria é bastante significativa por si só, relata a equipe, mas uma descoberta ainda mais significativa foi que o material permaneceu ativo após mais de 180 dias de exposição à luz solar simulada.
“O fato de que nossos materiais parecem possivelmente ser termodinamicamente estáveis e fotoquimicamente ativos em misturas de água e metanol por períodos prolongados não pode ser subestimado”, disse Hussein. “Como nosso material não é caro de fabricar, fácil de aumentar e incrivelmente estável na água, vale a pena explorar suas aplicações em vários processos fotocatalíticos.”
O próximo passo da pesquisa é entender melhor por que o material se comporta dessa maneira, para que possa ser ainda mais otimizado como fotocatalisador. A teoria atual da equipe postula que a natureza unidimensional e a alta área de superfície teórica do material contribuem para sua atividade sustentada, mas testes adicionais são necessários para confirmar essas sugestões.
O grupo também está trabalhando para encontrar outros aditivos, além do metanol, para servirem como “resfriadores” – produtos químicos que impedem a reversão da reação de divisão da água, o que é uma ocorrência comum devido à natureza um tanto caótica das reações fotocatalíticas.
Os resultados são tão promissores que o grupo fundou uma startup de hidrogênio verde em torno da tecnologia e está trabalhando com o Drexel Office of Innovation e o National Science Foundation’s Innovation Corps para começar a comercializá-lo.
“Estamos muito entusiasmados com as possibilidades desta descoberta”, disse Barsoum. “O mundo precisa de novos combustíveis limpos massivos que possam suplantar os combustíveis fósseis. Acreditamos que este material pode liberar o potencial do hidrogênio verde.”
Além disso, o grupo está explorando uma série de outras aplicações para HDNs, incluindo o uso em baterias, células solares, purificação de água e tratamentos médicos. Sua capacidade de ser produzida com facilidade e segurança em grandes quantidades diferencia os HDNs de outros nanomateriais, o que os abre para uma variedade de usos possíveis, de acordo com Hussein.
“Nossa família de nanoestruturas HDNs continua a impressionar as comunidades muito diferentes com as quais estamos colaborando. Esses nanofilamentos de óxido de titânio podem ser usados para várias aplicações, incluindo purificação de água, degradação de corantes, células solares de perovskita, baterias de íons de lítio e enxofre de lítio, diálise com ureia e terapia de câncer de mama, entre muitos outros.”
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