Um novo tipo de dispositivo que produz hidrogênio limpo através da separação fotocatalítica da água (quebra do H2O em hidrogênio e oxigênio) foi desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos. O novo fotocatalisador obteve 9% de sucesso na conversão de água em seus dois componentes, revelando-se dez vezes mais eficiente do que outros dispositivos da espécie.
Para obter esse salto tecnológico, a equipe reduziu o semicondutor – a parte mais cara do dispositivo – a um centésimo do seu tamanho convencional. O novo semicondutor UMich, desenvolvido por outra equipe no ano passado, é feito de nanoestruturas de nitreto de índio e gálio, resiste à luz concentrada equivalente a 160 sóis e melhora sua eficiência com o uso.
O cientista Peng Zhou usa uma grande lente para concentrar a luz solar no catalisador (Brenda Ahearn/Universidade de Michingan)Fonte: Universidade de Michingan
Como foi testado o novo fotocatalisador?
A realização do experimento ao ar livre do novo fotocatalisador teve início com a montagem da lente (do tamanho de uma janela doméstica), feita pelo primeiro autor do estudo, Peng Zhou, para focar a luz solar em um pequeno painel experimental de poucos centímetros de diâmetro. No interior, o semicondutor foi coberto por uma camada de água borbulhando com os gases hidrogênio e oxigênio para realização da "fotossíntese" artificial.
Diferentemente de outros sistemas, que evitam calor muito forte, este dispositivo depende disso, pois o semicondutor absorve comprimentos de onda de alta frequência de luz. O infravermelho de baixa frequência aquece a câmara a cerca de 70º C para acelerar a reação de divisão da água, mas também evita que as moléculas dos dois gases se recombinem.
As nanoestruturas de nitreto de índio e gálio capturam a luz e a convertem em elétrons livres que são direcionados através de nanobolas de metal com 1/2.000 de milímetro de diâmetro. Uma camada isolante no topo do painel mantém o ambiente quente o bastante para estimular a reação e frio o suficiente para assegurar um bom desempenho do aparelho.
Quais os diferenciais do novo dispositivo de fotossíntese?
A alta eficiência solar para hidrogênio (STH) atingida no experimento – índice de 9,2% com água pura – decorre de dois aprimoramentos importantes introduzidos pela equipe da Universidade de Michingan. O primeiro é conseguir concentrar a luz solar sem destruir o semicondutor, o que reduz em muito o custo do dispositivo.
O segundo progresso é conseguir usar a maior parte da energia do espectro solar para dividir a água e a porção inferior para obter calor para estimular a reação. Isso é possível porque o modelo de catalisador semicondutor deste estudo se aprimora com o uso, resistindo à degradação que normalmente ocorre, e "auto curando-se".
ARTIGO - Nature - DOI: 10.1038/s41586-022-05399-1.
