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Chame-a de a mais verde das energias verdes. Os cientistas há muito tentam usar apenas o sol e a água para gerar energia, um pouco como as plantas fazem no processo de fotossíntese. Mas o processo – que envolve o uso da luz solar para dividir as moléculas de água – tem sido muito ineficiente para ser comercialmente viável. Um novo avanço pode mudar isso.
Tentativas anteriores de usar a energia do Sol para dividir as moléculas de água enfrentaram vários problemas. O processo requer fótons energéticos para cortar as ligações entre os átomos de hidrogênio e oxigênio da água. Ondas mais curtas e, portanto, mais energéticas, fótons de luz ultravioleta e visível podem realizar a tarefa. Mas os fótons infravermelhos do Sol, que compreendem cerca de 50% daqueles que chegam à Terra, não são suficientemente energéticos.
Os divisores de água solar tentam contornar isso com duas estratégias. A primeira, e mais eficiente, envolve o uso de um dispositivo chamado célula fotoeletroquímica (PEC). São um pouco como baterias, com dois eletrodos mergulhados em um eletrólito líquido. Um eletrodo age como uma minicélula solar, absorvendo a luz solar e usando a energia para gerar cargas elétricas. Essas cargas são então alimentadas a catalisadores nos eletrodos para dividir as moléculas de água e gerar gás hidrogênio em um eletrodo e gás oxigênio no outro.
Os melhores PECs podem converter quase um quarto da energia solar em combustível de hidrogênio. Mas eles exigem o uso de eletrólitos corrosivos que rapidamente destroem o semicondutor de absorção de luz.
Uma segunda estratégia, chamada de célula fotocatalítica monolítica, acaba com a configuração semelhante a uma bateria e simplesmente mergulha um semicondutor de absorção de luz na água. O semicondutor absorve a luz solar e gera cargas elétricas que alimentam os metais catalíticos em sua superfície, que então dividem as moléculas de água. Mas como o hidrogênio e o oxigênio resultantes são gerados um ao lado do outro, eles podem reagir prontamente um com o outro, reformando a água.
Isso limitou a eficiência desses divisores de água fotocatalíticos para converter apenas cerca de 3% da energia solar recebida em combustível de hidrogênio utilizável. Uma solução poderia ser simplesmente tornar os semicondutores maiores, como os painéis solares convencionais. Mas os semicondutores capazes de dividir a água são muito mais caros do que os painéis solares de silício padrão, tornando essa opção muito cara.
Assim, no novo estudo, os pesquisadores liderados por Zetian Mi, um químico da Universidade de Michigan, Ann Arbor, ajustaram seu equipamento fotocatalítico. Acima de sua configuração, eles colocaram uma lente do tamanho de uma janela típica de casa. Isso concentrou a luz do sol em uma área 100 vezes menor, permitindo reduzir o tamanho e o custo de seu semicondutor de separação de água. A intensa luz do sol gerou cargas elétricas no semicondutor que foram passadas para catalisadores de metal de tamanho nanométrico salpicados no topo, que então realizaram as reações de separação da água.
A equipe de Mi também aumentou a temperatura da água dividida para 70°C, o que impediu que a maioria dos gases hidrogênio e oxigênio reagissem entre si para reformar a água. A última interação de seu dispositivo usa não apenas os fótons visíveis e ultravioleta capazes de dividir a água, mas também os fótons infravermelhos menos energéticos.
As mudanças combinadas permitiram aos cientistas converter 9,2% da energia do Sol em combustível de hidrogênio, cerca de três vezes mais do que as configurações fotocatalíticas anteriores , relatam hoje na Nature .
“É uma grande conquista”, acrescenta Peidong Yang, químico da Universidade da Califórnia, em Berkeley, cuja equipe ajudou a criar a divisão fotocatalítica da água há 20 anos, mas que não participou do trabalho atual. Todd Deutsch, especialista em separação de água do Laboratório Nacional de Energia Renovável, acrescenta que a eficiência está agora perto da meta de 10% provavelmente necessária para tornar esses dispositivos comercialmente viáveis.
Ainda assim, a nova configuração enfrenta desafios comerciais, diz Deutsch. Produz uma mistura potencialmente explosiva de gases hidrogênio e oxigênio, por exemplo. Uma versão comercial teria que separar esses gases, observa ele, aumentando o custo.
Se esses dispositivos finalmente chegarem ao mercado, os engenheiros provavelmente precisarão criar grandes fazendas solares de separação de água para gerar hidrogênio suficiente para abastecer frotas de veículos, fornos industriais e células de combustível comerciais que possam converter o hidrogênio em eletricidade para alimentar a grade. Esse dia continua distante, observa Mi.
Ainda assim, dado que as células fotocatalíticas de separação de água são mais simples de projetar do que as PECs, isso deve torná-las muito mais baratas para produção em massa, diz Mi. Além disso, observa ele, a nova configuração também funciona bem, embora um pouco menos eficientemente, com a água do mar, um recurso barato e inesgotável. Ser capaz de converter a água do mar de forma barata em combustível livre de carbono seria realmente o máximo em energia verde.
Site de referência: Science
