O hidrogênio pode ser uma parte importante do nosso futuro suprimento de energia:ele pode ser armazenado, transportado e queimado conforme necessário. No entanto, a maior parte do hidrogênio disponível hoje é um subproduto da produção de gás natural, e isso precisa mudar por razões de proteção climática. A melhor estratégia até agora para produzir "hidrogênio verde" ecologicamente correto é dividir a água em hidrogênio e oxigênio usando eletricidade proveniente de fontes de energia renováveis, por exemplo, células fotovoltaicas.
No entanto, seria muito mais fácil se a luz solar pudesse ser usada diretamente para dividir a água. Isso é exatamente o que os novos catalisadores estão tornando possível, em um processo chamado "divisão fotocatalítica da água". O conceito ainda não é usado industrialmente. Na TU Wien, passos importantes já foram dados nessa direção:em escala atômica, os cientistas perceberam uma nova combinação de catalisadores moleculares e de estado sólido que podem fazer o trabalho usando materiais relativamente baratos.

Interação de átomos

"Na verdade, para poder dividir água com luz, você precisa resolver duas tarefas ao mesmo tempo", diz Alexey Cherevan, do Instituto de Química de Materiais da TU Wien. "Temos que pensar no oxigênio e no hidrogênio. Os átomos de oxigênio da água devem ser transformados em O₂ moléculas, e os íons de hidrogênio restantes - que são apenas prótons - devem ser transformados em moléculas de H2."

Já foram encontradas soluções para ambas as tarefas. Pequenos aglomerados inorgânicos que consistem em apenas um pequeno número de átomos são ancorados em uma superfície de estruturas de suporte de absorção de luz, como o óxido de titânio. A combinação de clusters e suportes semicondutores cuidadosamente escolhidos levam ao comportamento desejado.

Os aglomerados responsáveis ​​pela oxidação do oxigênio são compostos de cobalto, tungstênio e oxigênio, enquanto os aglomerados de enxofre e molibdênio são especialmente adequados para a criação de moléculas de hidrogênio. Os pesquisadores da TU Wien foram os primeiros a depositar esses aglomerados em uma superfície feita de óxido de titânio, onde podem atuar como catalisadores para a separação da água.

"O óxido de titânio é sensível à luz, isso já era bem conhecido", diz Alexey Cherevan. "A energia da luz absorvida leva à criação de elétrons livres e cargas positivas livres no óxido de titânio. Essas cargas então permitem que os aglomerados de átomos sentados nesta superfície facilitem a divisão da água em oxigênio e hidrogênio. "

Controle preciso, átomo por átomo

"Outros grupos de pesquisa que trabalham na divisão da água com a luz contam com nanopartículas que podem assumir formas e propriedades de superfície muito diferentes", explica Alexey Cherevan. "Os tamanhos são difíceis de controlar, os átomos não estão exatamente dispostos da mesma maneira. Portanto, neste caso, não é possível explicar com detalhes como ocorre o processo de catálise." Na TU Wien, por outro lado, a estrutura exata dos aglomerados é determinada com precisão atômica, o que permite uma compreensão completa do ciclo catalítico.

"Esta é a única maneira de obter feedback sobre o que a eficiência do processo realmente depende", diz Alexey Cherevan. "Não queremos confiar apenas em uma abordagem de tentativa e erro e tentar diferentes nanopartículas até encontrar a melhor - queremos descobrir no nível atômico qual é realmente o catalisador ideal".

Agora que os materiais selecionados provaram ser adequados para dividir a água, o próximo passo é ajustar ainda mais sua estrutura exata para obter eficiências ainda maiores.

Simples e promissor

"A vantagem decisiva do nosso método sobre a separação da água por eletrólise é sua simplicidade", enfatiza Alexey Cherevan. A produção de hidrogênio elétrico precisa primeiro de uma fonte de energia sustentável – como células fotovoltaicas, possivelmente um dispositivo de armazenamento de energia elétrica e uma célula de eletrólise. Em suma, isso resulta em um sistema relativamente complexo que consiste em uma infinidade de matérias-primas. Para a separação fotocatalítica de água, por outro lado, tudo o que é necessário é uma superfície adequadamente revestida que seja coberta por água e irradiada pelo sol.

A longo prazo, esse método também pode ser usado para produzir moléculas mais complicadas usando o conceito de fotossíntese artificial. Pode até ser possível usar a energia da radiação solar para produzir hidrocarbonetos com dióxido de carbono da atmosfera e da água, que podem ser usados ​​para outras aplicações.

Os estudos associados aparecem em ACS Catalysis e Auditoria de Materiais ACS . + Explorar mais

Superfície do catalisador analisada em resolução atômica