Na transição energética para um modelo mais sustentável, o hidrogênio É proposto como uma das alternativas que podem preencher uma lacuna (menor ou maior ainda a ser determinada) para substituir os hidrocarbonetos. O hidrogênio verde é a opção mais desejada devido à sua baixa pegada de carbono, e pesquisadores suíços acabam de descobrir um novo método para obter hidrogênio da água do ar.
Este é um dispositivo movido a energia solar que pode obter água do ar e fornecer combustível de hidrogênio, que foi desenvolvido pelo engenheiro químico Kevin Sivula e sua equipe da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), na Suíça. Quando o dispositivo é exposto à luz solar, ele absorve água do ar e é capaz de produzir hidrogênio. É uma evolução do processo chamado separação fotoeletroquímica da água (PEC).
Uma célula PEC é geralmente conhecida como um dispositivo que usa luz incidente para estimular um material fotossensível imerso em uma solução líquida, como um semicondutor, para causar uma reação química. No entanto, a novidade de Sivula e do sistema de sua equipe é que ele consegue melhorar esse processo.
O sistema possui uma tecnologia baseada em semicondutores com eletrodos de difusão de gás, que têm vários recursos principais. São poroso, que maximiza o contato com a água no ar; são transparente, para maximizar a exposição à luz solar do revestimento semicondutor; e são motoristas permitindo que a energia solar converta a água (que está em estado gasoso no ar) em combustível de hidrogênio.
A equipe de cientistas, pertencente ao Laboratório de Engenharia Molecular de Nanomateriais Optoeletrônicos da EPFL, realizou suas pesquisas em colaboração com a Toyota Motor Europe. Os pesquisadores dizem que inspirado na fotossíntese das plantas o processo pelo qual eles podem converter a luz solar em energia química usando dióxido de carbono do ar.
Uma planta obtém dióxido de carbono e água de seu ambiente e, com a energia da luz solar, pode transformar essas moléculas em açúcares e amidos que servem de nutrientes para a planta. A energia da luz solar é armazenada na forma de ligações químicas dentro de açúcares e amidos. No caso do aparelho solar da Sivula e seus equipamentos, eletrodos transparentes de difusão de gás, quando revestidos com um material semicondutor coletor de luz, agem como uma folha artificial, capturando água do ar e da luz solar para produzir hidrogênio. Aqui a energia da luz solar é armazenada na forma de pontes de hidrogênio.
“Desenvolver nosso protótipo foi desafiador, pois eletrodos transparentes de difusão de gás não haviam sido demonstrados anteriormente e tivemos que desenvolver novos procedimentos para cada etapa. No entanto, como cada etapa é relativamente simples e escalável, acredito que nossa abordagem abrirá novos horizontes para uma ampla gama de aplicações, desde substratos de difusão de gás até produção de hidrogênio movido a energia solar”, explica Marina Caretti, autora principal do trabalho.
Enquanto a célula fotoeletroquímica (PEC) tem desvantagens, como torná-la grande o suficiente para usar líquido, Sivula queria mostrar que a tecnologia PEC pode ser adaptada para coletar umidade do ar, o que levou ao desenvolvimento de seu novo eletrodo de difusão de gás. 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? São questões que estão sendo abordadas no Projeto da UE “Sun-to-X” que se dedica ao avanço dessa tecnologia e ao desenvolvimento de novas formas de converter hidrogênio em combustíveis líquidos.
Como são feitos os eletrodos transparentes de difusão de gás?
Para fazer eletrodos de difusão gasosa transparentes, os pesquisadores partem de um tipo de lã de vidro, que são essencialmente fibras de quartzo (também conhecido como óxido de silício) e processá-lo em wafers sentida pela fusão das fibras em altas temperaturas. A bolacha é então revestida com uma fina película transparente de óxido de estanho dopado com flúor, um elemento conhecido por sua excelente condutividade, robustez e facilidade de incrustação. Esses primeiros passos resultam em um wafer transparente, poroso e condutor, essencial para maximizar o contato com as moléculas de água no ar e permitir a passagem de fótons. Então, o wafer é revestido novamente, desta vez com uma fina película de materiais semicondutores que absorvem a luz solar. Esta segunda camada ainda deixa passar a luz, embora pareça opaca devido à grande superfície do substrato poroso. Do jeito que está, esse wafer revestido já pode produzir combustível de hidrogênio quando exposto à luz solar.
Os cientistas começaram a construir uma pequena câmara que continha o wafer revestido, bem como uma membrana para separar o gás hidrogênio produzido para medição. Quando sua câmara é exposta à luz solar em condições úmidas, produz-se hidrogênio gasoso, 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 com energia 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 alcançável em células PEC baseadas em líquido. Dependendo dos materiais utilizados, a eficiência teórica máxima de conversão de energia solar em hidrogênio do wafer revestido é de 12% enquanto as células líquidas têm mostrado uma eficiência de até 19%.