Novo padrão para tecnologia de hidrogênio verde estabelecido pelos engenheiros da Rice University.
Os engenheiros da Rice University podem transformar luz solar em hidrogênio com eficiência recorde graças a um dispositivo que combina a próxima geração semicondutores de haleto perovskita* com eletrocatalisadores em um dispositivo único, durável, econômico e escalável.
De acordo com o um estudo publicado na Nature Communications, o dispositivo alcançou uma eficiência de conversão de energia solar em hidrogênio de 20.8%.
A nova tecnologia é um avanço significativo para a energia limpa e poderá servir como plataforma para uma ampla gama de reações químicas que utilizam eletricidade colhida 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.
“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 luz e completa eletroquímica química de divisão de água em sua superfície.”
O dispositivo é conhecido como célula fotoeletroquímica porque a absorção da 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.
A Laboratório Mohite e seus colaboradores criaram o dispositivo transformando seus célula solar altamente competitiva em um reator que poderia usar a energia coletada para dividir a água em oxigênio e hidrogênio.
O desafio que tiveram de superar foi que as perovskitas haleto* são extremamente instáveis na água e os revestimentos utilizados para isolar os semicondutores acabaram por perturbar o seu funcionamento ou danificá-los.
“Nos últimos dois anos, temos tentado diferentes materiais e técnicas”, disse Michael Wang, engenheiro químico da Rice e coautor do estudo.
Depois de longos testes não terem produzido o resultado desejado, os pesquisadores finalmente encontraram uma solução vencedora.
“Nosso principal insight foi que eram necessárias 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 os melhores em geral para aquelas que usam semicondutores haleto perovskita.
“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 deste tipo de dispositivo pela primeira vez”, disse Fehr.
Os pesquisadores mostraram que o design de sua barreira funcionava para diferentes reações e com diferentes semicondutores, tornando-o aplicável em muitos sistemas.
“Esperamos que tais sistemas sirvam como uma plataforma para conduzir uma ampla gama de elétrons para reações de formação de combustível, usando matérias-primas abundantes, tendo apenas a luz solar como entrada de energia”, disse Mohite.
“Com mais melhorias na estabilidade e na escala, esta tecnologia poderia abrir a economia do hidrogénio e mudar a forma como os humanos produzem coisas, desde o combustível fóssil até ao combustível solar”, acrescentou Fehr.
Perovskita – Este mineral tem maior condutividade que o silício e é menos frágil. Também é muito mais abundante na Terra. Ao longo da última década, esforços consideráveis levaram a desenvolvimentos espectaculares, mas a sua adopção na futura optoelectrónica continua a ser um desafio.
As células fotovoltaicas de perovskita ainda são instáveis e sofrem envelhecimento prematuro. Além disso, contêm chumbo, material muito prejudicial ao meio ambiente e à saúde humana. Por estas razões, os painéis não podem ser comercializados.
Perovskitas híbridas halogenadas são uma classe de materiais semicondutores que têm sido foco de pesquisas específicas nos últimos anos por suas notáveis propriedades fotoelétricas e suas aplicações em sistemas fotovoltaicos.
