Reator brasileiro gera hidrogênio verde usando luz solar, água e materiais de baixo custo

Em testes realizados em laboratório pelo CINE, um Centro de Pesquisa Aplicada da FAPESP, o sistema funcionou de forma estável durante 120 horas; protótipo também foi verificado ao ar livre e manteve a mesma eficiência.

Fonte: Agência FAPESP

Um sistema capaz de produzir hidrogênio sem emitir carbono, usando apenas luz solar, água e materiais amplamente disponíveis no Brasil, foi desenvolvido por pesquisadores do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE). O protótipo do equipamento, chamado fotoeletrolisador, foi testado com sucesso, tanto em laboratório quanto ao ar livre, pelos autores de um trabalho publicado no periódico científico ACS Energy Letters.

O CINE é um Centro de Pesquisa Aplicada (CPA) constituído pela FAPESP e pela Shell em 2018. É sediado na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Universidade de São Paulo (USP) e Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), com a participação de outras oito instituições brasileiras.

Fotoeletrolisadores ainda não estão no mercado, mas representam uma possibilidade para a produção de hidrogênio verde. Diferentemente dos eletrolisadores convencionais, são autossuficientes do ponto de vista energético, ou seja, não precisam se conectar a uma fonte de energia para funcionar porque possuem um fotoânodo.

O fotoânodo é um dos dois eletrodos de um fotoeletrolisador. É capaz de absorver luz solar e utilizar diretamente a sua energia para promover uma série de reações eletroquímicas que, no final, resultam no desprendimento do hidrogênio da molécula de água. Entretanto, a produção em escala de fotoânodos eficientes e estáveis, usando materiais abundantes e de baixo custo, desafia a comunidade científica há décadas.

“Neste trabalho, apresentamos um avanço essencial nesse caminho ao superar um dos principais gargalos da área: a obtenção de um fotoânodo de hematita eficiente, estável e escalonável”, diz Flavio Leandro de Souza, professor da Universidade Federal do ABC (UFABC), pesquisador do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) e membro do CINE, que liderou a pesquisa.

A hematita é um óxido de ferro abundante na natureza, considerado muito promissor para a fotoeletrólise, principalmente porque não se degrada em contato com a água. Na pesquisa, os cientistas conseguiram aumentar a eficiência do material sem diminuir sua estabilidade por meio da adição de pequenas quantidades de óxidos de alumínio e zircônio, que são materiais disponíveis no Brasil.

Preocupados com a escalabilidade dos processos, os pesquisadores desenvolveram um método de produção dos fotoânodos que pode ser levado à escala industrial. Com ele, a equipe produziu cem fotoânodos, todos com as mesmas propriedades. Usando esses eletrodos, os autores montaram um sistema modular: dez fotoânodos formam um fotoeletrolisador, e dez desses equipamentos operando em conjunto podem formar um módulo de um metro quadrado.

Nos testes realizados em laboratório com um simulador de luz solar, o sistema funcionou de forma estável durante 120 horas. Além disso, um protótipo formado por dois fotoeletrolisadores foi testado ao ar livre e manteve a mesma eficiência verificada no laboratório, além de demonstrar robustez.

O desenvolvimento e os testes da pesquisa foram realizados no CNPEM por um grupo de seis pesquisadores. A equipe contou com a colaboração do professor Renato Gonçalves, do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP), para construir o simulador de luz solar de grande área que foi usado nos testes laboratoriais.

Atualmente, os autores estão trabalhando no desenvolvimento do outro eletrodo do fotoeletrolisador, o cátodo. A ideia é que esse dispositivo também use apenas a luz do Sol como fonte de energia. “O próximo passo, já em andamento, é um módulo operando 100% com irradiação solar, com cada fotorreator composto por fotoânodo e fotocátodo”, diz Souza.

De acordo com o cientista, o sistema seria ideal para uso em indústrias que precisam de hidrogênio verde em pontos específicos, injetando diretamente o gás nos processos industriais. Por ser modular, a tecnologia permitiria adaptar facilmente tamanho e capacidade do fotoeletrolisador às necessidades da indústria.

Aumentar ainda mais a escala da produção dos equipamentos está dentro dos planos dos autores do trabalho, mas isso exige investimentos significativos em infraestrutura e segurança para fazer os testes necessários. “É uma etapa crucial, e a colaboração com empresas interessadas é essencial”, ressalta o pesquisador.

A pesquisa também contou com financiamento da FAPESP por meio do Centro de Pesquisa em Engenharia Molecular para Materiais Avançados (CEMol) .

O artigo Photoelectrode Fabrication and Modular PEC Reactor Integration for Stable Solar Hydrogen Production pode ser lido em: pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c02340.