p Vista através de uma janela do interior de um reator de ultra-alto vácuo onde os nanotubos de TiO2 são decorados com nanopartículas de CoO. Vemos a chama (plasma produzido por ablação a laser) que estala o CoO para dar origem à formação de suas nanopartículas. Crédito:Christian Fleury (INRS)
p Uma equipe de pesquisa do Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) uniu forças com pesquisadores franceses do Instituto de Química e Processos de Energia, Meio Ambiente e Saúde (ICPEES), um laboratório de pesquisa conjunto CNRS-Universidade de Estrasburgo, para preparar o caminho para a produção de hidrogênio verde. Esta equipe internacional desenvolveu novos eletrodos nanoestruturados fotossensíveis à luz solar. Os resultados de sua pesquisa foram publicados na edição de novembro de 2020 da revista de
Materiais de energia solar e células solares . p
Um vetor de transição de energia
p O hidrogênio está sendo considerado por vários países da Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE) como um ator-chave na transição para indústrias e setores descarbonizados. De acordo com o professor do INRS My Ali El Khakani, Quebec poderia se posicionar estrategicamente neste setor de energia do futuro. "Graças aos nanomateriais de alto desempenho, podemos melhorar a eficiência da dissociação da água para produzir hidrogênio. Esse combustível "limpo" está se tornando cada vez mais importante para a descarbonização do transporte pesado e do transporte público. Por exemplo, ônibus que usam hidrogênio como combustível já estão em operação em vários países europeus e na China. Esses ônibus emitem água em vez de gases de efeito estufa, "acrescentou o físico e especialista em nanomateriais.
p A divisão das moléculas de água em oxigênio e hidrogênio há muito tempo é feita por eletrólise. Contudo, eletrolisadores industriais consomem muita energia e requerem grandes investimentos. Os pesquisadores do INRS e do ICPEES foram inspirados por um mecanismo natural:a fotossíntese. De fato, eles desenvolveram eletrodos especialmente projetados e estruturados que dividem as moléculas de água sob a luz do sol. Este é um processo conhecido como fotocatálise.
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p Imagem de microscopia eletrônica (vista superior) de uma matriz de nanotubos de TiO2 (como células em favo de mel de uma colmeia) decorados com nanopartículas de óxido de cobalto (CoO) (NP). Crédito:INRS
Desafios no projeto e fabricação dos eletrodos nanoestruturados
p Para uso máximo de energia solar, as equipes de pesquisa selecionaram um material muito abundante e quimicamente estável:o dióxido de titânio (TiO
2 ) TiO
2 é um semicondutor conhecido por ser fotossensível à luz ultravioleta, que é responsável por apenas 5% da irradiância solar. Os pesquisadores usaram sua experiência no campo para alterar pela primeira vez a composição atômica do TiO
2 e estender sua fotossensibilidade à luz visível. Eles foram capazes de produzir eletrodos que podem absorver até 50% da luz emitida pelo sol. Um ganho significativo desde o início!
p Os pesquisadores procederam então com a nanoestruturação do eletrodo para formar uma rede de TiO
2 nanotubos que se assemelham a uma estrutura semelhante a uma colmeia. Este método multiplicou a área de superfície efetiva do eletrodo por um fator de 100, 000 ou mais. "A nanoestruturação maximiza a relação entre a superfície e o volume de um material. Por exemplo, TiO
2 nanoestruturas podem oferecer uma área de superfície de até 50 m
2
por grama. Essa é a área de superfície de um apartamento de tamanho médio! ", Ressaltou o professor El Khakani.
p A etapa final da elaboração do eletrodo é sua "nanodecoração". Este processo consiste em depositar nanopartículas de catalisador na rede infinita de TiO.
2 nanotubos para aumentar sua eficiência de produção de hidrogênio. Para alcançar esta etapa de nanodecoração, os pesquisadores usaram a técnica de deposição de ablação a laser, um campo onde o Professor El Khakani desenvolveu uma experiência única nos últimos 25 anos. O desafio não era apenas controlar o tamanho, dispersão e ancoragem de nanopartículas de catalisador no TiO
2 matriz de nanotubos, mas também para encontrar alternativas para os caros catalisadores clássicos de irídio e platina.
p Esta pesquisa identificou óxido de cobalto (CoO), um material que está bastante disponível no underground de Quebec, como co-catalisadores eficazes para a divisão de moléculas de água. Uma comparação dos dois materiais mostrou que as nanopartículas de CoO permitiram um aumento de dez vezes na eficiência fotocatalítica desses novos eletrodos nanodecorados sob luz visível em comparação com os nanotubos nus.
