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Um dispositivo que pode coletar água do ar e fornecer combustível de hidrogênio – totalmente alimentado por energia solar – tem sido um sonho para os pesquisadores há décadas. Agora, o engenheiro químico da EPFL, Kevin Sivula, e sua equipe deram um passo significativo para aproximar essa visão da realidade. Eles desenvolveram um sistema engenhoso, mas simples, que combina tecnologia baseada em semicondutores com novos eletrodos que possuem duas características principais: são porosos, para maximizar o contato com a água no ar; e transparente, para maximizar a exposição à luz solar do revestimento semicondutor. Quando o dispositivo é simplesmente exposto à luz solar, ele retira água do ar e produz gás hidrogênio. Os resultados são publicados em 4 de janeiro de 2023 em Materiais avançados.
O que há de novo? São seus novos eletrodos de difusão de gás, que são transparentes, porosos e condutores, permitindo que essa tecnologia movida a energia solar transforme a água – em seu estado gasoso do ar – em combustível de hidrogênio.
“Para realizar uma sociedade sustentável, precisamos de formas de armazenar energia renovável como produtos químicos que podem ser usados como combustíveis e matérias-primas na indústria. A energia solar é a forma mais abundante de energia renovável e estamos nos esforçando para desenvolver formas economicamente competitivas de produzir combustíveis solares”, diz Sivula do Laboratório de Engenharia Molecular de Nanomateriais Optoeletrônicos da EPFL e principal investigador do estudo.
Inspiração na folha de uma planta
Em sua pesquisa de combustíveis renováveis sem fósseis, os engenheiros da EPFL, em colaboração com a Toyota Motor Europe, inspiraram-se na maneira como as plantas são capazes de converter a luz do sol em energia química usando o dióxido de carbono do ar. Uma planta essencialmente colhe dióxido de carbono e água de seu ambiente e, com o impulso extra de energia da luz solar, pode transformar essas moléculas em açúcares e amidos, um processo conhecido como fotossíntese. A energia da luz solar é armazenada na forma de ligações químicas dentro dos açúcares e amidos.
Os eletrodos transparentes de difusão de gás desenvolvidos por Sivula e sua equipe, quando revestidos com um material semicondutor de colheita de luz, de fato agem como uma folha artificial, coletando água do ar e da luz solar para produzir gás hidrogênio. A energia da luz solar é armazenada na forma de pontes de hidrogênio.
Em vez de construir eletrodos com camadas tradicionais opacas à luz solar, seu substrato é na verdade uma malha tridimensional de fibras de vidro feltradas.
Marina Caretti, principal autora do trabalho, diz: “Desenvolver nosso protótipo de dispositivo foi desafiador, pois eletrodos transparentes de difusão de gás não foram demonstrados anteriormente e tivemos que desenvolver novos procedimentos para cada etapa. No entanto, como cada etapa é relativamente simples e escalável, acho que nossa abordagem abrirá novos horizontes para uma ampla gama de aplicações a partir de substratos de difusão de gás para produção de hidrogênio movido a energia solar.”
Da água líquida à umidade do ar
Sivula e outros grupos de pesquisa mostraram anteriormente que é possível realizar fotossíntese artificial gerando combustível de hidrogênio a partir de água líquida e luz solar usando um dispositivo chamado célula fotoeletroquímica (PEC). Uma célula PEC é geralmente conhecida como um dispositivo que usa luz incidente para estimular um material fotossensível, como um semicondutor, imerso em líquido solução para causar uma reação química. Mas para fins práticos, este processo tem suas desvantagens, por exemplo, é complicado fazer dispositivos PEC de grande área que usam líquido.
A Sivula queria mostrar que a tecnologia PEC pode ser adaptada para coletar a umidade do ar, levando ao desenvolvimento de seu novo eletrodo de difusão de gás. Células eletroquímicas (por exemplo, células de combustível) já demonstraram funcionar com gases em vez de líquidos, mas os eletrodos de difusão de gás usados anteriormente são opacos e incompatíveis com a tecnologia PEC movida a energia solar.
Agora, os pesquisadores estão concentrando seus esforços na otimização do sistema. Qual o tamanho ideal da fibra? O tamanho de poro ideal? Os semicondutores e materiais de membrana ideais? Estas são questões que estão sendo perseguidas no Projeto da UE “Sun-to-X”, que se dedica a avançar esta tecnologia e desenvolver novas formas de converter hidrogênio em combustíveis líquidos.
Fazendo eletrodos transparentes de difusão de gás
Para fazer eletrodos de difusão de gás transparentes, os pesquisadores começam com um tipo de lã de vidro, que é essencialmente fibras de quartzo (também conhecidas como óxido de silício) e as transformam em bolachas de feltro, fundindo as fibras em alta temperatura. Em seguida, o wafer é revestido com uma fina película transparente de óxido de estanho dopado com flúor, conhecido por sua excelente condutividade, robustez e facilidade de aumento de escala. Esses primeiros passos resultam em um wafer transparente, poroso e condutor, essencial para maximizar o contato com as moléculas de água no ar e deixar passar os fótons. O wafer é então revestido novamente, desta vez com uma fina película de materiais semicondutores que absorvem a luz solar. Este segundo revestimento fino ainda deixa passar a luz, mas parece opaco devido à grande área de superfície do substrato poroso. Como está, este wafer revestido já pode produzir combustível de hidrogênio quando exposto à luz solar.
Os cientistas construíram uma pequena câmara contendo o wafer revestido, bem como uma membrana para separar o gás hidrogênio produzido para medição. Quando sua câmara é exposta à luz do sol em condições úmidas, o gás hidrogênio é produzido, alcançando o que os cientistas se propuseram a fazer, mostrando que o conceito de um eletrodo de difusão de gás transparente para a produção de gás hidrogênio movido a energia solar pode ser alcançado.
Embora os cientistas não tenham estudado formalmente a eficiência de conversão de energia solar em hidrogênio em sua demonstração, eles reconhecem que é modesta para este protótipo e atualmente menos do que pode ser alcançado em células PEC baseadas em líquido. Com base nos materiais usados, a eficiência teórica máxima de conversão de energia solar em hidrogênio do wafer revestido é de 12%, enquanto as células líquidas demonstraram eficiência de até 19%.
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