Um novo, dispositivo de fotossíntese artificial estável dobra a eficiência do aproveitamento da luz solar para separar água doce e salgada, geração de hidrogênio que pode então ser usado em células de combustível.

O dispositivo também pode ser reconfigurado para transformar o dióxido de carbono novamente em combustível.

O hidrogênio é o combustível de queima mais limpa, com a água como única emissão. Mas a produção de hidrogênio nem sempre é ecologicamente correta. Os métodos convencionais requerem gás natural ou energia elétrica. O método avançado pelo novo dispositivo, chamado de divisão solar direta da água, usa apenas água e luz do sol.

"Se pudermos armazenar diretamente a energia solar como combustível químico, como o que a natureza faz com a fotossíntese, poderíamos resolver um desafio fundamental da energia renovável, "disse Zetian Mi, um professor de engenharia elétrica e de computação da Universidade de Michigan que liderou a pesquisa enquanto estava na Universidade McGill em Montreal.

Faqrul Alam Chowdhury, estudante de doutorado em engenharia elétrica e da computação na McGill, disse que o problema com as células solares é que elas não podem armazenar eletricidade sem baterias, que têm um alto custo geral e vida útil limitada.

O dispositivo é feito dos mesmos materiais amplamente utilizados como células solares e outros eletrônicos, incluindo nitreto de silício e gálio (frequentemente encontrados em LEDs). Com um design pronto para a indústria que opera apenas com luz solar e água do mar, o dispositivo abre caminho para a produção em larga escala de combustível limpo de hidrogênio.

Os divisores solares diretos anteriores de água alcançaram um pouco mais de 1% de eficiência solar para hidrogênio estável em água doce ou salgada. Outras abordagens sofrem com o uso de dispendiosas, materiais ineficientes ou instáveis, como o dióxido de titânio, isso também pode envolver a adição de soluções altamente ácidas para alcançar eficiências mais altas.

Mi e sua equipe, Contudo, alcançou mais de 3 por cento de eficiência solar para hidrogênio. Para alcançar essa eficiência estável, a equipe construiu uma paisagem urbana de tamanho nanométrico de torres de nitreto de gálio que gerou um campo elétrico. O nitreto de gálio fica leve, ou fótons, em elétrons móveis e espaços vazios carregados positivamente chamados buracos. Essas cargas gratuitas dividem as moléculas de água em hidrogênio e oxigênio.

"Quando este wafer especialmente projetado é atingido por fótons, o campo elétrico ajuda a separar elétrons fotogerados e lacunas para conduzir a produção de moléculas de hidrogênio e oxigênio com eficiência, "Chowdhury disse.

Atualmente, o suporte de silício do chip não contribui para sua função, mas poderia estar fazendo mais. A próxima etapa pode ser usar o silício para ajudar a capturar os portadores de carga de luz e funil para as torres de nitreto de gálio.

"Embora a eficiência de 3 por cento possa parecer baixa, quando colocado no contexto dos 40 anos de pesquisa sobre este processo, é realmente um grande avanço, "Mi disse." Fotossíntese natural, dependendo de como você calcula, tem uma eficiência de cerca de 0,6 por cento. "

Ele acrescenta que 5 por cento de eficiência é o limite para comercialização, mas sua equipe busca uma eficiência de 20 ou 30%.

Mi realiza pesquisas semelhantes para retirar o dióxido de carbono de seu oxigênio para transformar o carbono resultante em hidrocarbonetos, como metanol e gás de síntese. Este caminho de pesquisa pode potencialmente remover o dióxido de carbono da atmosfera, como as plantas fazem.

"Essa é a parte verdadeiramente emocionante, "Mi disse.

O dispositivo está documentado no estudo, "Um sistema de fotossíntese artificial de diodo fotoquímico para divisão geral de água pura de alta eficiência não assistida, " publicado em Nature Communications . Junto com Mi e Chowdhury, os co-autores incluem Michel Trudeau, do Centro de Excelência em Eletrificação de Transporte e Armazenamento de Energia, Hydro-Québec, e Hong Guo da Universidade McGill.