p Usar hidrogênio para produção de energia não é nada novo. Mas com sua pesquisa, Carnegie Mellon University Ciência e Engenharia de Materiais (MSE) Ph.D. o candidato Ajay Pisat espera desbloquear todo o seu potencial como primário, meio de armazenamento de energia convencional, maximizando a eficiência da produção de hidrogênio por meio da fotocatálise. p Embora haja muita pesquisa sendo feita com fotocatálise, O trabalho de Pisat no nível nano é um primeiro passo importante para a pesquisa em larga escala, porque se concentra no nível mais baixo possível, o nível estrutural. Ele passa seu tempo no laboratório projetando a morfologia da superfície de compostos de óxidos, otimizar suas áreas de superfície para a evolução do hidrogênio que, por sua vez, aumenta a eficiência da produção de hidrogênio por meio da fotocatálise.

p Se Pisat é capaz de projetar cientificamente a estrutura da superfície do composto de óxido que seu laboratório usa - titanato de estrôncio, que tem uma estrutura semelhante a muitos outros compostos de óxido - para máxima eficiência, então ele pode projetar compostos semelhantes que absorvem melhor a luz solar. Os pesquisadores poderiam então usar esses compostos em uma escala maior, em sistemas fotocatalíticos inteiros.

p "Sentimos que é a estrutura do material que é vital para o processo, "Pisat diz." Mas a química do material é vital para a funcionalidade real. "

p A ciência

p Fotocatálise, em geral, está usando luz em conjunto com materiais catalisadores para permitir ou acelerar as reações químicas. A reação particular envolvendo a divisão da água em hidrogênio e oxigênio é chamada de divisão fotocatalítica da água, ou produção fotocatalítica de hidrogênio. O hidrogênio produzido pode então ser usado para alimentar células de combustível no local ou geradores que são independentes de redes de energia baseadas em infraestrutura - em outras palavras, uma fonte de energia consistente em locais onde essas redes de energia não alcançam.

p Dois benefícios adicionais da pesquisa contínua de energia de hidrogênio são a limpeza e a renovabilidade da energia de hidrogênio resultante. Ao contrário das emissões de carbono e gases de efeito estufa que resultam de combustíveis fósseis, a energia do hidrogênio não produz subprodutos prejudiciais.

p Adicionalmente, a luz solar e a água necessárias para a produção de hidrogênio fotocatalítico são quase infinitas. Junto com a luz do sol e a água, a fotocatálise requer um catalisador. Um catalisador é um material que aumenta a taxa de uma reação química. No processo fotocatalítico, um catalisador (mais comumente um composto de óxido) é submerso em água. Quando a água é bombardeada com luz solar, o catalisador causa uma reação química nos pontos onde o composto do catalisador entra em contato com a água. É essa reação que divide as moléculas de água.

p Embora possa parecer um processo bastante simples, os pesquisadores encontraram alguns obstáculos que impedem a fotocatálise de produzir seu potencial máximo de hidrogênio. Um deles é a absorção de luz dos catalisadores de compostos de óxido. A data, os cientistas têm lutado para encontrar um composto apropriado que seja capaz de absorver a faixa visível do espectro solar, que mantém a energia necessária para fotocatálise. A maioria dos compostos são muito bons na absorção de raios UV, mas esses raios representam apenas 5% de todo o espectro de luz, e alguns compostos absorvem radiação infravermelha, que não tem energia suficiente para fotocatálise.

p Outro desafio é a quantidade de hidrogênio produzida por qualquer um dos catalisadores. A produção de hidrogênio está diretamente relacionada à área de superfície do catalisador.

p A forma como Pisat explica:imagine seu celular submerso em uma banheira de água. Em todos os lugares onde a água atinge o exterior do seu telefone é onde ocorrerão as reações químicas (por exemplo, produção de hidrogênio). Agora imagine cortando seu celular em duas partes.

p "Agora expusemos mais duas superfícies, "Pisat diz." E se continuarmos fazendo isso, vamos apenas expor mais e mais superfície para a mesma quantidade de massa. "Como a água está em contato com uma parte maior da superfície do telefone, mais hidrogênio será produzido.

p Agora tente imaginar algo menor do que um telefone. Pode ser, por exemplo, um copo cheio de bolinhas tão pequenas que parecem pó. Imagine pegar apenas uma daquelas pelotas. É quase como pegar um grão de areia, apenas menor. É aqui que Pisat faz seu trabalho:o nível nano.

p Na verdade, as reações fotocatalíticas consistem em duas reações individuais:a evolução do hidrogênio e sua contra-reação. Diferentes estruturas de superfície tendem a favorecer uma reação sobre a outra, reduzindo a eficiência da reação geral. O trabalho de nível nano de Pisat é sobre como equilibrar as áreas dessas reações individuais usando tratamentos térmicos baratos para que a reação geral possa ocorrer da maneira mais eficiente possível.

p A inspiração

p Embora sua pesquisa seja singular e incrivelmente focada, Pisat entende seu trabalho como apenas uma pequena parte de um processo muito maior. Esse processo maior pode ser apropriadamente descrito como uma autoestrada de seis pistas, cada pista avançando em direção à mesma linha de chegada. Acontece que Pisat encontrou seu caminho quando ainda era estudante de graduação na Índia.

p Natural de Mumbai, ele cresceu em um mundo que influenciou sua decisão de seguir as pesquisas que fez. "Em minha própria vida, " ele diz, "Eu vi que o clima não é o mesmo. Eu vi a qualidade do ar se degradar durante a minha infância." A cada cinco anos, ele compartilha, ele podia ver e sentir a qualidade do ar baixando ao seu redor.

p Então, quando ele entrou na faculdade, ele foi muito focado na área de especialização que escolheu:engenharia de materiais. Através de seus estudos, ele se envolveu com pesquisas sobre limpeza, energia renovável do hidrogênio por meio da fotocatálise e da engenharia de materiais de compostos de óxidos.

p Ao buscar seu Ph.D. na Carnegie Mellon, ele escolheu um programa onde não poderia estudar com nenhum, mas três professores conduzindo pesquisas de nível nano sobre compostos de óxidos usados ​​na fotocatálise:Gregory Rohrer, Paul Salvador, e Mohammad Islam. Atualmente, ele está sendo coorientado pelos professores Rohrer e Salvador.

p Tendo uma visão ampla de sua pesquisa e de outras pessoas, Pisat agradece o trabalho que ainda precisa ser feito.

p "Pode não ser usado imediatamente porque todo o resto é muito barato, " ele diz, quando questionado sobre o futuro prático da energia do hidrogênio. "O carvão é muito barato. Portanto, competir com esse tipo de tecnologia vai levar algum tempo."

p Enquanto, como ele diz, vai levar algum tempo, Pisat fez grandes avanços. "Estou definitivamente fazendo muito progresso, " ele diz, em termos dos resultados que ele está vendo no laboratório. "Uma vez que esta técnica [otimização da morfologia da superfície] é aperfeiçoada, " ele adiciona, "as pessoas vão tentar usá-lo para projetar sistemas fotocatalíticos inteiros para tornar a produção de hidrogênio totalmente impulsionada pela energia solar. Talvez então, depois de cinco ou dez anos, podemos vê-los competindo com o gás. "