Pesquisadores brasileiros desenvolveram um Reator de hidrogênio verde de alto rendimento que usa apenas luz solar, água e materiais acessíveis. Despertando atenção da comunidade.
A pesquisa foi publicada na Revista ACS Energy Letters.
Foto do protótipo em teste em condições reais. [Imagem: Ingrid Rodríguez-Gutiérrez et al. – 10.1021/acsenergylett.5c02340]
O sistema é capaz de produzir hidrogênio verde, sem emitir carbono, usando apenas luz solar, água e materiais amplamente disponíveis no Brasil.
A seguir veremos como funciona o novo dispositivo gerador de hidrogênio verde, e a contribuição que pode dar para a geração de energia limpa no Brasil e no mundo. Em texto, imagens e videos.
Onde o hidrogênio verde poderá ser usado, quais os benefícios de seu uso? Qual o potencial de produção de hidrogênio do Brasil? Deixe seu comentário no final!
O dispositivo “Fotoeletrolisador” gera hidrogênio sem emitir carbono, usando apenas luz solar, água e materiais acessíveis
O hidrogênio é um combustível limpo e ambientalmente correto porque, ao ser consumido, mesmo que por combustão, devolve apenas água ao ambiente.
O maior problema é que hoje o gás é produzido pela reforma do metano, de origem fóssil, de forte efeito estufa e usando um processo intensivo em energia.
Fotografia ampliada de dois reatores montados. [Imagem: Ingrid Rodríguez-Gutiérrez et al. – 10.1021/acsenergylett.5c02340]
Um caminho para fugir dessa pegada consiste sobretudo no chamado hidrogênio solar, que tire o metano da equação e use apenas energia renovável.
Ingrid Gutiérrez e colegas do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), reunindo pesquisadores de onze universidades brasileiras, está apostando em um equipamento chamado fotoeletrolisador, formado por eletrodos negativos e positivos que absorvem a luz e produzem cargas elétricas, de modo muito parecido com as células solares.
Quando chegam à superfície do material, essas cargas propiciam reações de oxidação e redução na molécula da água, gerando oxigênio e hidrogênio.
Esquema e foto de um protótipo. [Imagem: Ingrid Rodríguez-Gutiérrez et al. – 10.1021/acsenergylett.5c02340]
Ainda não existem fotoeletrolisadores disponíveis comercialmente, mas eles representam uma rota potencial para a produção de hidrogênio verde porque são muito vantajosos.
Por exemplo, diferentemente dos eletrolisadores convencionais, aqueles alimentados por luz solar são autossuficientes do ponto de vista energético, ou seja, não precisam se conectar a uma fonte de energia para funcionar porque possuem um fotoânodo.
O fotoânodo é um dos dois eletrodos de um fotoeletrolisador, responsável por absorver a luz solar e utilizar diretamente a sua energia para promover uma série de reações eletroquímicas que, no final, resultam no desprendimento do hidrogênio da molécula de água.
Foi justamente aqui que a equipe brasileira inovou.
O pesquisadores desenvolveram um sistema capaz de produzir hidrogênio sem emitir carbono, usando apenas luz solar, água e materiais amplamente disponíveis no Brasil, foi desenvolvido por pesquisadores do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE).
O protótipo do equipamento, denominado fotoeletrolisador, foi testado com sucesso, tanto em laboratório quanto ao ar livre.
O CINE é um Centro de Pesquisa Aplicada (CPA) constituído pela FAPESP e pela Shell em 2018. É sediado na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Universidade de São Paulo (USP) e Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), com a participação de outras oito instituições brasileiras.
O pesquisadores superaram o principal desafio, e construíram um fotoânodo de hematita eficiente, estável e escalonável
Apesar de promissores, a produção em escala de fotoânodos eficientes e estáveis, usando materiais abundantes e de baixo custo, desafia a comunidade científica há décadas.
“Neste trabalho, apresentamos um avanço essencial nesse caminho ao superar um dos principais gargalos da área: a obtenção de um fotoânodo de hematita eficiente, estável e escalonável”, diz Flavio Leandro de Souza, professor da Universidade Federal do ABC (UFABC), pesquisador do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) e membro do CINE, que liderou a pesquisa.
Esquema e foto de um protótipo. Na bancada de teste em laboratório [Imagem: Ingrid Rodríguez-Gutiérrez et al. – 10.1021/acsenergylett.5c02340]
A hematita é um óxido de ferro abundante na natureza, considerado muito promissor para a fotoeletrólise, principalmente porque não se degrada em contato com a água.
Na pesquisa, os cientistas conseguiram aumentar a eficiência do material sem diminuir sua estabilidade por meio da adição de pequenas quantidades de óxidos de alumínio e zircônio, que são materiais disponíveis no Brasil.
Preocupados com a escalabilidade dos processos, os pesquisadores desenvolveram um método de produção dos fotoânodos que pode ser levado à escala industrial.
Com ele, a equipe produziu cem fotoânodos, todos com as mesmas propriedades.
Usando esses eletrodos, os autores montaram um sistema modular: dez fotoânodos formam um fotoeletrolisador, e dez desses equipamentos operando em conjunto podem formar um módulo de um metro quadrado.
Testes em laboratório e com protótipos ao ar livre, os fotoeletrolisadores mantiveram eficiência e robustez
Nos testes realizados em laboratório com um simulador de luz solar, o sistema funcionou de forma estável durante 120 horas.
Além disso, um protótipo formado por dois fotoeletrolisadores foi testado ao ar livre e manteve a mesma eficiência verificada no laboratório, além de demonstrar robustez.
O desenvolvimento e os testes da pesquisa foram realizados no CNPEM por um grupo de seis pesquisadores.
Curvas de cronoamperometria de reatores PEC modulares sob iluminação externa. [Imagem: Ingrid Rodríguez-Gutiérrez et al. – 10.1021/acsenergylett.5c02340]
A equipe contou com a colaboração do professor Renato Gonçalves, do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP), para construir o simulador de luz solar de grande área que foi usado nos testes laboratoriais.
Atualmente, os autores estão trabalhando no desenvolvimento do outro eletrodo do fotoeletrolisador, o cátodo. A ideia é que esse dispositivo também use apenas a luz do Sol como fonte de energia.
“O próximo passo, já em andamento, é um módulo operando 100% com irradiação solar, com cada fotorreator composto por fotoânodo e fotocátodo”, diz Souza.
Aumentar a escala da produção dos equipamentos está dentro dos planos dos autores do trabalho, o que exige investimentos significativos em infraestrutura e segurança para fazer os testes necessários (foto: CINE/divulgação)
De acordo com o cientista, o sistema seria ideal para uso em indústrias que precisam de hidrogênio verde em pontos específicos, injetando diretamente o gás nos processos industriais.
Por ser modular, a tecnologia permitiria adaptar facilmente tamanho e capacidade do fotoeletrolisador às necessidades da indústria.
Aumentar ainda mais a escala da produção dos equipamentos está dentro dos planos dos autores do trabalho, mas isso exige investimentos significativos em infraestrutura e segurança para fazer os testes necessários.
“É uma etapa crucial, e a colaboração com empresas interessadas é essencial”, ressalta o pesquisador.
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