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A grande inovação está no pequeno disco visto no centro do dispositivo. [Imagem: Marina Caretti et al. - 10.1002/adma.202208740] Hidrogênio solar extraído do ar Um dispositivo que possa ser alimentado por energia solar, colete água a partir da umidade do ar ambiente e forneça hidrogênio, o combustível limpo por excelência, tem sido um sonho para pesquisadores, engenheiros e ambientalistas há décadas. Agora, nada menos do que dois avanços simultâneos nessa área mostram que esse não é um sonho tão inatingível. E ambos em um nível de prontidão tecnológica mais avançado do que as duas novas formas de produzir hidrogênio descobertas no final do ano passado. Marina Caretti e colegas da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, desenvolveram um sistema engenhoso, mas simples, que combina a tecnologia dos semicondutores usados na eletrônica e nas células solares com novos eletrodos para quebrar as moléculas de água em oxigênio e hidrogênio. A grande inovação está exatamente nesses eletrodos, que têm duas características principais: Eles são porosos, para maximizar o contato com a água no ar, e são transparentes, para maximizar a exposição à luz solar do revestimento semicondutor. O conjunto usa a energia solar para quebrar as moléculas de água presentes na umidade normal do ar, produzindo hidrogênio. Por isto, o mecanismo pode ser enquadrado na categoria da fotossíntese artificial, já que imita o modo como as plantas transformam a luz solar em energia química usando o dióxido de carbono do ar. Revestidos com o material semicondutor coletor de luz, o mesmo das células solares, os eletrodos transparentes de difusão de gás de fato funcionam como uma folha artificial, coletando água do ar e usando a luz solar para produzir gás hidrogênio. Embora a equipe não tenha ainda medido a eficiência de conversão de energia solar em hidrogênio, eles reconhecem que ela é modesta para este protótipo. Mas, com base nos materiais usados, a eficiência teórica máxima de conversão de energia solar em hidrogênio é de 12%, enquanto células a combustível líquidas do tipo PEC (células fotoeletroquímicas), uma tecnologia que pode ser considerada concorrente, podem alcançar uma eficiência de até 19%. A mesma equipe já obteve uma eficiência de 14,2% na produção de hidrogênio solar usando materiais de alto custo e até 4,5% de eficiência na conversão fotoeletroquímica da água usando materiais de baixo custo. Se 9% de eficiência parece pouco, isso é dezenas de vezes mais eficiente do que a fotossíntese natural. [Imagem: Peng Zhou et al. - 10.1038/s41586-022-05399-1] Painel de fotossíntese artificial A segunda novidade veio pelas mãos de Peng Zhou e colegas da Universidade de Michigan, nos EUA, que construíram um novo tipo de painel solar que alcançou 9% de eficiência na conversão de água em hidrogênio e oxigênio, também imitando a fotossíntese. Como opera ao ar livre, e não em condições controladas de laboratório, o protótipo representa um grande salto na tecnologia, sendo quase 10 vezes mais eficiente do que experimentos solares de divisão de água desse tipo. Aqui, foram duas inovações, a primeira consistindo na redução da quantidade necessária do semicondutor responsável pela coleta da energia solar. Como este é o elemento mais caro da tecnologia, isso representa uma redução nos custos do hidrogênio solar. "Nós reduzimos o tamanho do semicondutor em mais de 100 vezes em comparação com alguns semicondutores que trabalham apenas com baixa intensidade de luz," disse Peng Zhou, destacando que essa redução permite concentrar a luz solar por meio de lentes até 160 vezes o brilho normal do Sol sem danificar os semicondutores, o que aumenta muito a eficiência operacional da célula, embora imponha outras restrições de engenharia para uso prático. A segunda inovação está na capacidade de usar a parte de maior energia do espectro solar para dividir a água, e a parte inferior do espectro para fornecer calor, que estimula a reação. Isso foi possível com o desenvolvimento de um catalisador semicondutor que se autoconserta, resistindo à degradação que os catalisadores geralmente sofrem quando aproveitam a luz solar para conduzir reações químicas. O catalisador é feito de nanoestruturas de nitreto de índio e gálio, cultivadas em uma superfície de silício. Essa bolacha semicondutora captura a luz, convertendo-a em elétrons livres e lacunas - cargas positivas, deixadas quando os elétrons são liberados pela luz. As nanoestruturas são salpicadas com aglomerados de metal em nanoescala, com 1/2000 de milímetro de diâmetro, que usam esses elétrons e lacunas para ajudar a direcionar a reação. A concentração da luz solar gera temperaturas muito mais altas, que aceleram o processo de separação da água, e o calor extra ainda ajuda a manter o hidrogênio e o oxigênio separados, em vez de renovar suas ligações e formar água novamente. Ambos ajudaram a equipe a coletar mais hidrogênio. Os próximos desafios que a equipe pretende enfrentar são melhorar ainda mais a eficiência e obter hidrogênio de pureza alta o suficiente para que ele possa ser injetado diretamente nas células de combustível, produzindo eletricidade. fonte: inovacaotecnologica.com.br

Esquema de funcionamento da produção de hidrogênio verde a partir da umidade do ar. Hidrogênio verde Uma equipe internacional de engenheiros construiu um eletrolisador capaz de extrair hidrogênio da umidade do ar ambiente. Como os métodos atuais para produzir hidrogênio a partir da eletrólise exigem água pura, usar a umidade do ar pode não apenas reduzir os custos e o consumo energético dessa produção, como também evitar competir por recursos e viabilizar a utilização do equipamento em virtualmente qualquer lugar. De fato, a equipe garante que a eficiência do seu eletrolisador é tamanha que ele pode produzir hidrogênio captando umidade do ar até mesmo em regiões desérticas e semi-áridas - ele funciona com uma umidade tão baixa quanto 4%, quando a umidade típica em um deserto é de 20%. O aparelho, que pode ser alimentado por energia renovável, como solar e eólica, absorve a umidade do ar e a divide em hidrogênio e oxigênio por eletrólise - o protótipo foi alimentado por energia renovável (solar ou eólica) e produziu hidrogênio verde por 12 dias consecutivos para esta avaliação inicial. Já existem eletrolisadores capazes de fazer isto, mas eles são grandes e dependem de catalisadores de metais do grupo da platina, que são raros e extremamente caros. O aparelho (esquerda) pode ser fabricado em versões maiores, ou pode-se ligar vários deles em paralelo. Hidrogênio e oxigênio puros Embora existam opções mais eficientes para captar umidade do ar, a equipe concluiu que, para os seus propósitos, o que incluía a redução de custos, o ácido sulfúrico era o melhor material para atuar como esponja para capturar a água. "Um meio poroso, como esponja de melamina ou espuma de vidro sinterizado, é embebido com a substância iônica deliquescente para absorver a umidade do ar através das superfícies expostas. A água capturada na fase líquida é transferida para as superfícies dos eletrodos por difusão e posteriormente dividida em hidrogênio e oxigênio in situ, que são coletados separadamente como um gás puro, uma vez que ambos os eletrodos são isolados do ar," explicou a equipe. A eficiência faradaica do eletrolisador foi de 95%, sem a injeção de nenhuma gota de água líquida - tudo foi capturado do ar. "Esta é a primeira tecnologia capaz de produzir hidrogênio de alta pureza diretamente do ar, e você pode fazê-lo em qualquer lugar da Terra, desde que tenha energia," disse Gang Li, da Universidade de Melbourne, na Austrália. fonte: inovacaotecnologica