Um passo mais perto de produzir combustíveis de hidrogênio verde

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Um passo mais perto de produzir combustíveis de
hidrogênio verde
Os pesquisadores projetam um reator fotoeletroquímico para produzir hidrogênio “verde” acessível.
Crédito da imagem: Ciência em HD/Unsplash.
Atualmente, mais de 95% dos processos de produção de hidrogênio do mundo, como a reforma a vapor
do gás natural, a oxidação parcial do metano e a gaseificação de carvão, exigem o uso de combustíveis
fósseis. Como resultado, a produção de uma tonelada de hidrogênio produz simultaneamente de oito a
doze toneladas de dióxido de carbono. Somente em 2019, 70 milhões de toneladas de hidrogênio foram
produzidas em todo o mundo, e esses números devem aumentar.
Em contraste com a produção de hidrogênio à base de combustíveis fósseis, a água movida a energia
solar dividida via eletrólise não produz emissões de CO 2 e tem sido objeto de intensos esforços de
pesquisa nas últimas décadas. Aqui, o hidrogênio e o oxigênio são separados por uma corrente
fotovoltaica gerada dentro do que é conhecido como eletrolisador – uma célula que contém um ânodo e
um cátodo para catalisar a reação de divisão da água. Hoje, os sistemas de eletrólise fotovoltaica que
utilizam vários módulos fotovoltaicos conectados com eletrolisadores apresentam a tecnologia mais
madura para a produção de hidrogênio solar. Esses sistemas de eletrólise fotovoltaica são chamados de
células foto-eletroquímicas ou PECs, pois geram energia elétrica solar e a convertem quimicamente em
hidrogênio.
https://4thgeneration.energy/life-cycles-emissions-of-hydrogen/
https://4thgeneration.energy/life-cycles-emissions-of-hydrogen/
https://4thgeneration.energy/life-cycles-emissions-of-hydrogen/
https://www.advancedsciencenews.com/searching-for-new-hydrogen-production-pathways/
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Embora o progresso nesta área seja promissor, é muito desafiador competir com as tecnologias
convencionais em termos de custo, ou seja, os combustíveis fósseis ainda são relativamente muito
baratos. Existem várias demonstrações em pequena escala de sistemas de eletrólise fotovoltaica com
mais de 15% de eficiência de energia solar para hidrogênio. No entanto, o uso de eletrônicos de
potência e um número significativo de componentes auxiliares necessários, como circuitos de controle,
conectores, monitoramento e unidades de medição, aumenta o custo da produção de hidrogênio.
Assim, uma equipe de pesquisadores da SABIC Corporate R&D da Universidade de Ciência e
Tecnologia King Abdullah (KAUST), Arábia Saudita, construiu um sistema fotoeletroquímico que integra
o absorvente de fotos com catalisadores para proporcionar uma oportunidade de redução de custos. De
acordo com o líder da equipe Professor Hicham Idriss (Coloco na SABIC e Hon. Professor do
Departamento de Química da University College London (Reino Unido) (Reino Unido), houve vários
desafios associados ao desenvolvimento de um novo sistema fotoeletroquímico para a produção de
hidrogênio em escala industrial. A primeira é a ampliação e o fato de que os novos dispositivos foto-
eletroquímicos desenvolvidos ainda estão menos progredidos e têm eficiências inferiores aos sistemas
de eletrólise fotovoltaica estabelecidos há muito tempo.
Os pesquisadores da KAUST construíram um sistema
fotoeletroquímico para a produção de H2 que integra o absorvente
de fotos com catalisadores para redução de custos.
As descobertas da equipe foram recentemente relatadas na revista Angewandte Chemie, na qual eles
projetaram, fabricaram e testaram com sucesso um reator fotoeletroquímico para enfrentar esses
desafios. “Um dos jovens cientistas da equipe disse por que não colamos apenas uma folha fina na parte
de trás da célula e, depois de muitos testes fracassados, funcionou perfeitamente como catalisador e
para o gerenciamento de calor”, disse Idriss.
O sistema final é composto por um dispositivo integrado de eletrólise fotovoltaica para equilibrar o custo
do sistema e usa luz solar concentrada para reduzir o custo do fotoabsorvente. Além disso, os
pesquisadores da KAUST empregaram um eletrólito alcalino em seu eletrolisador, que fornece a
condutividade iônica dentro do dispositivo de eletrólise fotovoltaica. Desta forma, os pesquisadores do
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KAUST reduziram o custo do catalisador e eliminaram as necessidades de gerenciamento térmico
externo.
O novo reator foto-eletroquímico para a produção de hidrogênio a partir da água funcionou perto da
máxima eficiência teórica (ca. 18,3 a 0,7%) com pouca luz. Sob maior concentração de luz e usando
lentes ópticas, as taxas de produção de hidrogênio aumentaram a uma eficiência constante de energia
solar para hidrogênio de aproximadamente 13 -0,6%. Finalmente, os testes catalíticos realizados por
mais de 100 horas não mostraram nenhum sinal de degradação nem variação da produção de
hidrogênio alcançada; outros testes sugerem que o sistema poderia ser estável por ano, disse Idriss.
Mas ainda há potencial para otimização. “Perdemos uma boa quantidade de energia ainda, porque as
células dão mais do que a tensão necessária para dividir a água. Precisamos projetar uma célula com o
dobro da tensão em alta concentração ou conectar dois deles a três unidades. Ambos são possíveis”,
disse Idriss. Antes de entrar nisso, eles precisam realizar uma análise econômica, técnica e financeira
para garantir que mais pesquisas valham a pena.
“O principal desafio na divisão de água solar é fazer um sistema estável e acessível para aplicações em
larga escala”, concluiu Idriss. “Para o hidrogênio, não sabemos como fazer eletrolisadores muito grandes
ainda.”
Referência: M. A. A. (em inglês). Khan, et al., “Reator Fotoeletroquímico Integrado Estável para
Produção H2 de Água Ata uma Eficiência Solar-A Hidrogênio de 18% a 15 Sóis e 13% a 207 Sóis”. - O
Angew. Chem. Int. (em inglês). (2020). DOI: 10.1002/anie.202002240
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202002240