Estudo da UFRGS muda o paradigma sobre produção de energia limpa a partir de fotocatalisadores – Canal Ambiental – Tech4Health
Pesquisadores apontam caminho diferente para aumentar a eficiência da técnica de obter hidrogênio como fonte de energia química
Divulgação, UFRGS
sábado, 1 maio 2021 12:05
Energia. Sustentabilidade.
A busca por fontes alternativas de energia é um dos maiores desafios mundiais para diminuir a dependência dos combustíveis fósseis. Nessa procura, um estudo desenvolvido no Laboratório de Física de Nanoestruturas do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) mostrou como aumentar a eficiência energética de fotocatalisadores para a obtenção de energia química a partir da fotocatálise. Esse processo consiste em quebrar as moléculas de água (H2O) com a energia solar para obter hidrogênio, átomo com muita densidade energética que poderia ser usado como combustível em motores de carros, por exemplo, sem a emissão de CO2, um dos gases responsáveis pelo aquecimento global.
O grupo de pesquisa aumentou a eficiência da técnica de dois modos: diminuindo a energia solar necessária para a reação acontecer e aumentando a produção de hidrogênio em cerca de dez vezes. Para isso, por sua estrutura eletrônica adequada aos objetivos do estudo, foram usadas nanopartículas de céria (chamada também de óxido de cério) como fotocatalisadores. A céria possui estrutura microscópica mesoporosa, diferentemente do comumente utilizado titânio, que possui estrutura microporosa. Essa mudança estrutural vai no caminho contraintuitivo para o que se tem estabelecido na literatura.
O Dr. Fabiano Bernardi, coordenador do Laboratório e também professor do Programa de Pós-Graduação em Física da UFRGS, relatou que dois artigos foram redigidos a partir dos achados dos estudos, que começaram em 2018 e foram desenvolvidos nos laboratórios de química e de física da UFRGS e em um laboratório de física da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). O professor Bernardi explicou que o caminho diferente para aumentar a eficiência do fotocatalisador foi possível em função da influência do oxigênio nas reações. A fotocatálise utiliza materiais óxido-metálicos, que, portanto, são constituídos de oxigênio. Em materiais microporosos, como fotocatalisadores de titânio, quanto maior a ausência (vacância) de oxigênio no material, maior é a produção de hidrogênio. "No entanto, vimos que isso é uma meia-verdade. Em materiais mesoporosos, como a céria, o que acontece é o exato oposto. Quanto menos vacância, maior a eficiência em produzir hidrogênio", relatou o pesquisador, explicando por que o estudo mostra um caminho diferente do que a literatura tem apontado, além de ser outro motivo para a escolha da céria.
Segundo o Dr. Fabiano, o consumo de energia global dobrou de 1973 para 2015 e deve dobrar novamente até 2050, senão antes. "Em uma crise energética mundial, fica evidente a necessidade de mudar a matriz energética. Grande parte da produção de nossa energia é baseada em combustíveis fósseis, finitos e poluentes. E aí vem a ideia do uso da energia solar", esclareceu. De acordo com o professor, o consumo energético anual global é aproximadamente igual à energia que o Sol entrega em uma hora para a Terra. No entanto, esse problema não está simplesmente resolvido, porque a forma com que se consegue aproveitar essa energia atualmente é muito pouco eficiente. "Se consegue pegar um pequeno percentual [da energia solar emitida], que então é transformado e sobra muito pouco", explicou o especialista.
A eficiência da fotocatálise
Wallace Figueiredo, um dos doutorandos que participaram do estudo, contou que o grupo trabalhou muito com a quebra da molécula da água para obter hidrogênio. Wallace explicou que a molécula da água poderia ser quebrada sem catalisador, mas seria necessária muita energia, e o catalisador faz com que a quebra ocorra mais facilmente. No caso do fotocatalisador, a energia necessária para a quebra é proveniente de uma fonte de luz: o Sol.
No experimento, a água fica em uma espécie de becker, sob uma luz forte para simular o Sol. A céria, que é um pó com coloração do branco até tons muito leves de amarelo, é dissolvida diretamente na água e promove uma reação química. Há também um agente de sacrifício, outro metal, para que o oxigênio se deposite lá, enquanto o hidrogênio (nesse caso, na forma H2) fica suspenso no ar dentro do recipiente. A reação vai acontecendo, e, a cada trinta minutos, pode-se medir a concentração de hidrogênio no sistema. Desse processo de fotocatálise provém a energia química que é o objetivo do trabalho. Conforme explicou o Dr. Fabiano, para uma molécula de água quebrar, é preciso um par elétron-lacuna: um "buraco" onde a partícula estava e a própria partícula. Esse par consegue seguir quebrando mais e mais moléculas, liberando mais elétrons de hidrogênio. "O papel do fotocatalisador é este: ele precisa de uma energia mínima vinda da luz solar ou outra semelhante para gerar o elétron-lacuna e obter o hidrogênio", afirmou.
O professor, no entanto, acrescenta que um dos problemas desse método está justamente no material fotocatalisante, porque a energia mínima necessária para que isso aconteça se situa em um valor alto dentro de tudo que o Sol entrega para a Terra. O espectro de luz solar tem três níveis, o infravermelho (IV), a luz visível e a ultravioleta (UV), cada um com um valor energético, grosso modo. O que acontece é que esses níveis chegam em diferentes proporções aqui, sendo basicamente: 50% IV, 40% luz visível e 10% UV. Os fotocatalisadores comuns precisam de energia da faixa do UV para atuar. "Então o que fizemos, que está no primeiro artigo, foi diminuir a energia necessária para esse material, chegando na faixa da luz visível", esclareceu o professor Fabiano – a partir de uma grande instabilidade atômica no fotocatalisador, possível devido a propriedades eletrônicas da céria.
Por fim, além de necessitar menos energia, ao utilizar outro tipo de material (a céria), o grupo conseguiu aumentar também a produção de hidrogênio em cerca de dez vezes – produzindo, portanto, mais, com menos energia. "É importante ressaltar que a céria não é o melhor material para a fotocatálise. Geralmente se usa um material 'x', a gente pegou um 'y', que não é usado, e falou: olha, ele é promissor, e a forma com que se deve otimizá-lo é essa. O caminho que a literatura está tomando não é totalmente certo. Muda-se o paradigma com aquilo que deve ser feito para melhorar a eficiência de um material", conclui o professor.
Em 2020, os pesquisadores publicaram dois artigos sobre a pesquisa: um na revista científica Journal of Materials Chemistry A e outro na revista científica Applied Surface Science.
Acesse o resumo do artigo científico publicado na revista Journal of Materials Chemistry A (em inglês).
Acesse o resumo do artigo científico publicado na revista Applied Surface Science (em inglês).
Fonte: Thiago Sória, UFRGS Ciência. Imagem: Divulgação, UFRGS.
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