A poluição ambiental e a energia limpa acessível são os dois principais objectivos de desenvolvimento sustentável definidos pela Assembleia Geral das Nações Unidas em 2015. Todos os países estabeleceram os seus objectivos de descarbonização até ao ano 2050 e de aumento da utilização de hidrogénio verde para reduzir a carga de consumo de electricidade por ano. .



As indústrias e os grupos de investigação colaboraram conjuntamente para aumentar a produção de hidrogénio verde e reduzir o custo de produção. Em 2023, notámos as crises energéticas globais em grande parte da Europa durante a guerra, levando a preços elevados e à escassez de gás natural liquefeito e ao agravamento das alterações climáticas.

Normalmente, o hidrogênio verde é gerado por meio de eletrolisadores e divisão fotocatalítica da água. Existem algumas barreiras à produção comercializada de hidrogénio verde, tais como elevados custos de produção, estabilidade do fotocatalisador, desempenho do catalisador e utilização de água do mar.

A divisão solar fotocatalítica da água abriu uma nova janela de oportunidade para a produção de hidrogênio verde de baixo custo, de acordo com a proteção ambiental. A luz solar é abundante no meio ambiente e a escolha do fotocatalisador correto, de alto desempenho, estável e de longo prazo pode aumentar a produção e reduzir o preço do hidrogênio verde.

Notavelmente, todos os fotocatalisadores disponíveis para produção de hidrogênio por divisão de água estão na forma de nanopartículas em pó, causando perda e agressão metálica, resultando em menor atividade fotocatalítica e impacto no custo operacional. Além disso, os sistemas fotocatalisadores de nanopartículas em pó operam apenas em modo lote e são incapazes de controlar a taxa de produção de hidrogênio.

O fotocatalisador de nanopartículas em pó contém semicondutores que podem vazar para corpos d’água e prejudicar a pirâmide ecológica. Estruturas metal-orgânicas foram propostas para suportar as nanopartículas da liga, a fim de evitar a agregação metálica durante a reação e aumentar a atividade catalítica.

Kajari Kargupta do laboratório de nanoengenharia e energia sustentável do Departamento de Engenharia Química da Universidade de Jadavpur, Índia, desenvolveu agora um hidrogel de alginato orgânico 3D reciclável e ecológico, encapsulado em um fotocatalisador tipo esfera. O estudo foi publicado no International Journal of Hydrogen Energy .

Esses tipos de fotocatalisadores de hidrogel baseados em estrutura metal-orgânica 3D podem fornecer uma taxa constante de hidrogênio contínuo. O efeito tóxico do semicondutor é minimizado através do encapsulamento com o material de qualidade alimentar alginato de sódio.

O alginato de sódio é o biopolímero preferido para as milisferas encapsuladas em fotocatalisador. É fabricado comercialmente a partir de extrato de algas marrons. Ao longo do tempo, vários grupos de pesquisa formaram diversos compósitos metal-polímero devido à imobilização dos íons metálicos durante o processo de gelificação.

Um sistema de fluxo controlado por pressão operando em modo descontínuo e contínuo sob irradiação solar de banda completa foi investigado para aumentar a produção de hidrogênio solar a partir da água usando uma nova milisfera 3D de fotocatalisador encapsulado em hidrogel de alginatos orgânicos com alta capacidade de retenção de água. O foco principal foi projetado no papel do aumento da adsorção da molécula de água nos sítios ativos do fotocatalisador no desempenho da produção de hidrogênio solar.

Do ponto de vista funcional, a adição de alginato de sódio aumenta a atividade do fotocatalisador e a capacidade de retenção de água, possibilitando o processo de geração contínua de hidrogênio. Do ponto de vista operacional, a presença do alginato aumenta a atividade do fotocatalisador e a capacidade de retenção de água, possibilitando o processo de geração constante de hidrogênio.

Cada fotocatalisador esférico encapsulado em alginato em forma de conta funciona como um produtor de hidrogênio em miniatura ou um reator fotocatalítico. Os hidrogéis de alginato também apresentaram excelente reciclabilidade e reutilização. Sua repetibilidade sintética e escalabilidade linear são confirmadas pelo fato de que a quantidade total de hidrogênio gerado aumenta linearmente com o número de esferas encapsuladas em fotocatalisador, enquanto a taxa normalizada por volume permanece constante.

O grau de hidratação – tanto a pré-absorção dinâmica quanto a adsorção dinâmica de água – influencia fortemente a taxa na qual o hidrogênio é produzido. Um reator de fluxo é usado para produzir hidrogênio a uma taxa constante; quando a vazão de entrada cai abaixo de um valor crítico, a taxa de produção permanece constante, indicando que cada catalisador esférico funciona como um pequeno gerador de hidrogênio.

Kargupta tem experiência na transformação de protótipos em escala de laboratório em aplicações comerciais práticas, e nossa equipe multidisciplinar contém experiência em geração de hidrogênio solar, fabricação de membrana/eletrodo de eletrólito de célula de combustível e sequestro de carbono. A equipe está tentando aumentar a capacidade do hidrogênio gerado para alimentar células de combustível portáteis em áreas remotas.

O principal produto químico utilizado para o encapsulamento do fotocatalisador é o alginato de sódio, que é considerado um material de qualidade alimentar (emulsionante, estabilizante, espessante e agente gelificante) pela Food and Drug Administration dos EUA e pela Comissão Europeia. O fotocatalisador à base de hidrogel de alginato com um fotorreator adequado será montado com alto armazenamento e células de combustível nos próximos dois anos. Planejamos colaborar com parceiros da indústria para ampliar este fotocatalisador de alto desempenho em escala industrial.

Esta história faz parte do Science X Dialog, onde pesquisadores podem relatar descobertas de seus artigos de pesquisa publicados. Visite esta página para obter informações sobre o ScienceX Dialog e como participar.

Mais informações: Sayantanu Mandal et al, Alginato orgânico encapsulado em milisferas de rGO-CdS para produção notável de hidrogênio solar fotocatalítico, International Journal of Hydrogen Energy (2023). DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.09.137
A professora Kajari Kargupta, Departamento de Engenharia Química, Universidade Jadavpur, recebeu seu doutorado. sobre "Instabilidade e formação de padrões em filmes finos:papel da heterogeneidade, evaporação e deslizamento" em 1998 do I.I.T. Kanpur. Possui experiência em sistemas de filmes finos, geração de padrões, formação de nanoestruturas de diferentes morfologias e suas aplicações. Ela concluiu com sucesso vários projetos patrocinados por SERB DST, UGC, DBT e DRDO e tem mais de 100 publicações em periódicos revisados ​​por pares em seu crédito. Possui experiência em formulação de materiais nano-híbridos bimetálicos à base de grafeno de diferentes morfologias e sua aplicação como catalisadores, eletrocatalisadores para geração de hidrogênio. Como parte de um projeto anterior patrocinado pela DST, ela explorou a síntese e caracterização de catalisadores nano-híbridos bimetálicos à base de grafeno para geração de hidrogênio a partir de borohidreto de sódio e eletrooxidação de borohidreto; com base no mapeamento de composição-morfologia-desempenho, um novo catalisador nano-híbrido G-Co-Pt de núcleo conectado baseado em rGO que exibe excelente propriedade de transporte de elétrons foi explorado para geração de hidrogênio, bem como um catalisador ORR para reduzir a carga de Pt. Dr. Kargupta tem experiência em síntese e caracterização de eletrocatalisadores para eletrooxidação, reação de redução de oxigênio e aplicação em células de combustível. Ela explorou a geração de hidrogênio solar fotocatalítico e fotoeletrocatalítico por meio da divisão da água; cujo objetivo é resolver os principais gargalos do processo e melhorar a eficiência da energia solar para o hidrogênio. Com base em simulações experimentais e quânticas, o papel dos catalisadores nano-híbridos/fotocatalisadores e fotoeletrocatalisadores é analisado e explorado. Anteriormente, como parte do grande projeto UGC, o Prof. Kargupta explorou diferentes eletrólitos de membrana nanocompósitos inorgânicos-orgânicos, bem como eletrólitos portáteis, duráveis ​​​​e condutores de prótons do tipo gel, especialmente para a aplicação portátil de células de combustível. O Prof. Kargupta tem experiência em lidar com 10 projetos patrocinados como PI e Co-PI. Ela também trabalhou com NMRL, DRDO em um projeto de missão relacionado à aplicação de células de combustível como prestadora de serviços de pesquisa.

O Sr. Sayantanu Mandal está atualmente concluindo seu doutorado. no Departamento de Engenharia Química da Universidade de Jadavpur, sob a supervisão do Prof. Kajari Kargupta. Nos últimos três anos, ele tem trabalhado na geração de hidrogênio e na fabricação de uma membrana eletrolítica para células de combustível de alta temperatura. Atualmente ele também é PI de um projeto no mapa de instalações de engenharia de tecnologia científica da Índia sob o governo da Índia (I-STEM) com seu guia Prof Kajari Kargupta (I-STEM/Catalyticgrant/acad_24/2022-23). Ele também é membro permanente de algumas das prestigiadas organizações científicas globais, como a Associação Internacional de Engenheiros (IAENG) e a Academia Internacional de Ciência e Engenharia para o Desenvolvimento (IASED), Hong Kong. Além disso, ele também faz parte do comitê técnico do Comitê Técnico do MEAMT 2023, NanoMT 2023 e ICFMCE 2023 como revisor por pares.

Informações do diário: Jornal Internacional de Energia de Hidrogênio