A produção de energia solar de hidrogênio verde é muito ineficiente. Primeiro, a eletricidade é produzida por painéis com baixa eficiência e, em seguida, é realizada a eletrólise da água, o que reduz ainda mais a eficiência da extração. Os cientistas estão ansiosos para pular o estágio de obtenção de energia e sonham em converter imediatamente a água em hidrogênio e oxigênio, o que requer os catalisadores certos. E quase aprenderam a fazê-los no Japão.
Fonte da imagem: MASASHI KATO / NAYOGA INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Para dividir a água em hidrogênio e oxigênio, um grupo de pesquisadores japoneses criou um catalisador fotovoltaico de dois eletrodos com uma vida muito longa. Os catalisadores fotoeletroquímicos criados hoje em laboratórios permanecem operacionais por no máximo uma semana. O desenvolvimento japonês divide água em hidrogênio e oxigênio continuamente por 100 dias, o que pode ser considerado um recorde de eficiência. Para sistemas autônomos autônomos em áreas remotas, esta é a propriedade mais importante.
No entanto, a eficiência dos catalisadores permanece muito baixa – no nível de 0,74%. A maioria das tecnologias para converter energia solar em hidrogênio “verde” opera com uma eficiência de 1–2%. O Departamento de Energia dos Estados Unidos acredita que as instalações solares para a produção de hidrogênio “verde” chegarão a um nível comercial quando a eficiência chegar a 5-10%. Portanto, os cientistas e a indústria têm algo pelo que se esforçar. Mas os catalisadores japoneses, mesmo com uma eficiência tão baixa, permanecem os recordistas em termos de eficiência, já que podem trabalhar por um tempo bastante longo com uma implementação mais simples do processo.
A ideia por trás do desenvolvimento japonês é que o ânodo se torne semitransparente e o cátodo subjacente também use luz para uma reação fotoeletroquímica. O ânodo é feito de dióxido de titânio (TiO2), uma matéria-prima popular para tinta branca, e o cátodo é feito de carboneto de silício (SiC). O ânodo reage à luz ultravioleta e o cátodo à luz visível. Nesse caso, uma certa tensão é aplicada aos eletrodos para iniciar e manter a reação de clivagem. Os eletrodos são baixados na água (obviamente, eles devem ser apenas cobertos com água), uma corrente é aplicada a eles e a luz do sol incidindo sobre os catalisadores faz o resto – um esquema muito simples.
Os desenvolvedores afirmam que o problema com a baixa eficiência está no plano da baixa eficiência do dióxido de titânio. No próximo estágio, os cientistas planejam encontrar um substituto para esse material, a fim de agregar maior eficiência à durabilidade dos catalisadores.
Acrescentamos que este não é o único desenvolvimento promissor para a produção de hidrogênio usando a luz solar. O trabalho conjunto de cientistas italianos e israelenses, por exemplo, levou à criação de catalisadores a partir de nanobastões semicondutores revestidos com nanoesferas de platina. A eficiência dos nanocatalisadores se aproximou de 4%. Em 2019, uma equipe de pesquisa belga da KU Leuven anunciou um protótipo de painel solar que absorve a umidade do ar e a decompõe em hidrogênio e oxigênio com 15 por cento de eficiência. Existem outros desenvolvimentos interessantes que levarão ao resultado desejado – um mundo onde respirar se tornará um pouco mais fácil.