Quando o cientista Tadashi Ogitsu de Lawrence Livermore alugou um carro com célula de combustível a hidrogênio em 2017, ele sabia que seu trajeto diário mudaria para sempre. Não há gases de efeito estufa que saem do tubo de escape, apenas um pouco de vapor d'água.

O mercado de carros a hidrogênio está crescendo. De acordo com um relatório recente da California Energy Commission e do California Air Resources Board, o estado agora abriga 31 postos de combustível de hidrogênio.

O próximo desafio é tornar o combustível de hidrogênio mais econômico e sustentável.

"O hidrogênio pode ser produzido a partir de várias fontes, mas o Santo Graal é fazer da água e da luz do sol, "disse Ogitsu, um cientista da equipe do Quantum Simulations Group no Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Ele também é membro do comitê de direção do HydroGEN Advanced Water Splitting Materials Consortium, um consórcio liderado por laboratório na Rede de Materiais de Energia do Departamento de Energia (DOE). Ele está focado na produção de hidrogênio a partir de água por meio de eletrólise avançada de alta e baixa temperatura, bem como processos fotoeletroquímicos e termoquímicos solares e é gerenciado pelo Escritório de Tecnologias de Célula de Combustível do Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE (EERE).

Um dos desafios associados às tecnologias de separação de água movidas a energia solar para a produção de hidrogênio é a estabilidade do dispositivo que executa a tarefa. Na produção de hidrogênio fotoeletroquímico (PEC), um fotoabsorvente semicondutor de captação de luz solar é imerso diretamente em uma solução eletrolítica à base de água. Um desafio é que muitos dos materiais fotoabsorventes mais eficientes, como silício e fosforeto de índio, são frequentemente instáveis ​​sob as condições de operação do PEC. Isso se deve em grande parte às reações químicas na interface sólido / líquido, alguns dos quais resultam em oxidação e degradação do material.

Junto com colegas da Notre Dame University e do Lawrence Berkeley National Laboratory, Os cientistas do LLNL desenvolveram uma técnica de experimento-teoria integrada para interrogar a química em interfaces sólido / líquido. Esta técnica foi aplicada para entender os óxidos formados em superfícies de fosfeto de gálio (GaP) e fosfeto de índio (InP) sob condições relevantes para a produção de hidrogênio PEC, um primeiro passo para controlar a química desses materiais. A pesquisa aparece na capa do Journal of Physical Chemistry Letters na edição de 4 de janeiro.

Ogitsu, Brandon Wood e o autor principal Tuan Anh Pham alavancaram os recursos de computação de alto desempenho do LLNL para simular possíveis espécies químicas que podem ocorrer em superfícies fotoabsorventes em contato com meios aquosos. Essas espécies foram então caracterizadas por impressões digitais espectroscópicas usando cálculos de mecânica quântica.

Pesquisadores da Notre Dame validaram experimentalmente os cálculos usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-X de última geração. Além de fornecer uma compreensão detalhada da química na interface sólido / líquido, os autores exploraram como isso afeta a estabilidade do semicondutor durante a operação. Por exemplo, eles descobriram que, quando comparado ao GaP, a rede de hidrogênio perto das superfícies de InP é muito mais fluida, facilitando a autocura de imperfeições superficiais que resultam em melhor resistência à corrosão do InP.

"Os rápidos desenvolvimentos em métodos computacionais e experimentais agora tornam possível integrar diretamente os dois de uma maneira que não vimos antes, "Pham disse." Isso fornece uma nova maneira de entender a química de interfaces muito complexas que de outra forma não poderiam ser abordadas por uma única técnica. Nosso trabalho é um roteiro para sondar esses tipos de interfaces em uma ampla variedade de tecnologias de energia. "