Pesquisadores desenvolvem alternativa mais ecológica aos combustíveis fósseis, produzindo hidrogênio a partir da água e da luz

17 de fevereiro de 2023

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pela Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill

Pesquisadores do Departamento de Química da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill projetaram nanofios de silício que podem converter a luz do sol em eletricidade, dividindo a água em oxigênio e gás hidrogênio, uma alternativa mais ecológica aos combustíveis fósseis.

Cinquenta anos atrás, os cientistas demonstraram pela primeira vez que a água líquida pode ser dividida em oxigênio e gás hidrogênio usando eletricidade produzida pela iluminação de um eletrodo semicondutor. Embora o hidrogênio gerado com energia solar seja uma forma promissora de energia limpa, a baixa eficiência e os altos custos impediram a introdução de usinas comerciais de hidrogênio movidas a energia solar.

Uma análise de viabilidade econômica sugere que o uso de uma pasta de eletrodos feitos de nanopartículas em vez de um design rígido de painel solar poderia reduzir substancialmente os custos, tornando o hidrogênio produzido por energia solar competitivo com os combustíveis fósseis. No entanto, a maioria dos catalisadores ativados por luz baseados em partículas existentes, também conhecidos como fotocatalisadores, podem absorver apenas a radiação ultravioleta, limitando sua eficiência de conversão de energia sob iluminação solar.

James Cahoon, Ph.D., professor de Química da Hyde Family Foundation na UNC-Chapel Hill's College of Arts and Sciences, e seus colegas do departamento têm trabalhado na síntese química de nanomateriais semicondutores com propriedades físicas únicas que podem permitir uma variedade de tecnologias, de células solares a memória de estado sólido. Cahoon é o autor correspondente das descobertas publicadas em 9 de fevereiro na Nature.

Cahoon e sua equipe projetaram novos nanofios de silício para ter várias células solares ao longo de seu eixo, para que pudessem produzir a energia necessária para dividir a água.

"Este projeto não tem precedentes em projetos de reatores anteriores e permite que o silício seja usado pela primeira vez em um PSR", explicou Taylor Teitsworth, pesquisador associado de pós-doutorado no laboratório de Cahoon.

O silício absorve a luz visível e infravermelha. Historicamente, tem sido a melhor escolha para células solares, também conhecidas como células fotovoltaicas e semicondutores, devido a esta e outras propriedades, incluindo sua abundância, baixa toxicidade e estabilidade. Com suas propriedades eletrônicas, a única maneira de conduzir a divisão de água sem fio com partículas de silício é codificar várias células fotovoltaicas em cada partícula. Isso pode ser alcançado gerando partículas que contêm múltiplas interfaces, chamadas junções, entre duas formas diferentes de silício - semicondutores tipo p e tipo n.

Anteriormente, a pesquisa de Cahoon se concentrava em uma síntese de baixo para cima e modulação espacialmente controlada de silicone com boro para nanofios do tipo p e com fósforo para nanofios do tipo n para conferir geometrias e funcionalidades desejáveis.

"Usamos essa abordagem para criar uma nova classe de nanopartículas multijunção de divisão de água. Elas combinam as vantagens materiais e econômicas do silício com as vantagens fotônicas dos nanofios que têm um diâmetro menor que o comprimento de onda da luz absorvida", disse Cahoon. "Devido à assimetria inerente das junções dos fios, fomos capazes de usar um método eletroquímico movido a luz para depositar os cocatalisadores seletivamente nas extremidades dos fios para permitir a separação da água."

Mais Informações: Taylor S. Teitsworth et al, Divisão de água com superredes p–i–n de silício suspensas em solução, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05549-5