Produção Fotocatalítica de Hidrogênio a partir da Água usando a Luz Solar  

A comunidade cientifica vem buscando constantemente uma forma de produção de energia limpa para a redução da emissão de poluentes no planeta. A demanda energética vem crescendo substancialmente devido ao desenvolvimento tecnológico, fazendo assim necessário a obtenção de novas alternativas de geração de energia. Como por exemplo, o uso do vento e da energia solar como alternativas enérgicas que vem crescendo ao longo dos anos.  Um dos objetivos dessa pesquisa no LaFEA é a produção de Hidrogênio limpo como alternativa energética. [1]

O Hidrogênio pode ser uma excelente alternativa de substituição para os combustíveis fosseis que são extremamente danosos ao meio ambiente na geração de energia. Normalmente a produção de H2 é feita através da queima de combustíveis fosseis e outras fontes não renováveis, o que traz um dano irreversível ao meio ambiente devido a emissão de resíduos na atmosfera. Nos últimos anos grupos de pesquisas vem tentando desenvolver uma forma de produção de hidrogênio totalmente limpa. O que dificulta a obtenção do hidrogênio é que ele não se encontra naturalmente no meio ambiente, assim sendo necessário obtê-lo através de substâncias e moléculas que o contêm, através de métodos de separação. A Fig.1, mostra uma célula fotoeletroquímica sendo utilizada na separação do H2 e O2, pelo processo químico descrito no anodo e no catodo.

Figura 1: Separação de Água - Produção de Hidrogênio.

Um método que pode ser utilizado para a obtenção do hidrogênio verde é o técnica eletroquímica de Water splitting. A separação da molécula de agua em O2 e H2 requer certa quantidade de energia que deve ser fornecida ao sistema para que o fenômeno ocorra de forma espontânea [2]. Em teoria, o potencial de equilíbrio termodinâmico (TEP) é suficiente para a separação da agua. Mas na pratica é preciso fornecer mais energia ao sistema para HER/OER (evolução das reações no hidrogênio e no oxigênio) ocorra, com isso há uma baixa na taxa de reação de evolução do oxigênio. Esse aumento de potencial acima do limite teórico é chamado de overpotential[3]. Para a realização inicial do projeto necessitamos principalmente dos itens descritos abaixo e mostrados na Fig. 2

Figura 2: (a) Forno tubular com entrada e saída de gás, (b) materiais de consumo adquiridos para a elaboração dos processos químicos do projeto, tais como: Nitrato de Cobre Trihidratado; Ácido Fluorídrico; Peróxido de Hidrogênio;Solução de Óxido Tamponado (6:1);Nitrato de Potássio;Liga Eutética de Gálio-Índio;Ureia; Nitrato de Alumínio Nonahidratado, (c) pastilhas de silício, (d) a célula eletroquímica e o (e) simulador solar.

Materiais com baixo overpotential, boa estabilidade e baixa cinética eletroquímica estão sendo procurados por pesquisadores de todo o mundo. Alguns materiais à base de óxidos metálicos vêm sendo utilizados para a fabricação de eletrodos com boa atividade eletrocatalítica. Esse processo utiliza uma célula fotoeletroquímica (PEC) capaz de acelerar as reações de HER e OER no sistema, utilizando materiais que possuem alta densidade de corrente e alta eficiência catalítica e o menor overpotential possível[4].

Alguns materiais como CoO [5], TiO2 [6], CuO [7] foram citados na literatura para o uso do Water splitting. O grupo de pesquisa do LaFEA tem experiência na fabricação de eletrodos a base desses materiais. Por exemplo, eletrodos utilizando CoO fabricados recentemente no laboratório. Abaixo é possível ver a caracterização de Voltametria Cíclica (CV) do eletrodo revestido de CoO[8].

Figura 3: (a)Caracterização de Voltametria cíclica de um eletrodo revestido de CoO ;(b) Esquema de configuração de Water splitting.

Referências 

[1] S. E. Hosseini and M. A. Wahid, “Hydrogen production from renewable and sustainable energy resources: Promising green energy carrier for clean development,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 57, pp. 850–866, May 2016, doi: 10.1016/j.rser.2015.12.112.

[2] H. Lund, “Renewable energy strategies for sustainable development,” Energy, vol. 32, no. 6, pp. 912–919, Jun. 2007, doi: 10.1016/J.ENERGY.2006.10.017.

[3] J. Yu, Y. Dai, Q. He, D. Zhao, Z. Shao, and M. Ni, “A mini-review of noble-metal-free electrocatalysts for overall water splitting in non-alkaline electrolytes,” Materials Reports: Energy, vol. 1, no. 2, p. 100024, May 2021, doi: 10.1016/j.matre.2021.100024.

[4] L.-M. Cao, D. Lu, D.-C. Zhong, and T.-B. Lu, “Prussian blue analogues and their derived nanomaterials for electrocatalytic water splitting,” Coordination Chemistry Reviews, vol. 407, p. 213156, Mar. 2020, doi: 10.1016/j.ccr.2019.213156

[5] 10.1016/j.ccr.2019.213156. [5] X. Yu et al., “Highly disordered cobalt oxide nanostructure induced by sulfur incorporation for efficient overall water splitting,” Nano Energy, vol. 71, p. 104652, May 2020, doi: 10.1016/j.nanoen.2020.104652.

[6] F. A. Jumeri, H. N. Lim, Z. Zainal, N. M. Huang, and A. Pandikumar, “Titanium dioxide-reduced graphene oxide thin film for photoelectrochemical water splitting,” Ceramics International, vol. 40, no. 9, pp. 15159–15165, Nov. 2014, doi: 10.1016/J.CERAMINT.2014.06.130.

[7] R. Borkar, R. Dahake, S. Rayalu, and A. Bansiwal, “Copper Oxide Nanograss for Efficient and Stable Photoelectrochemical Hydrogen Production by Water Splitting,” Journal of Electronic Materials, vol. 47, no. 3, pp. 1824–1831, Mar. 2018, doi: 10.1007/s11664-017-5966-y.

[8] R. S. Santos, R. Suresh Babu, M. Devendiran, D. B. Haddad, and A. L. F. de Barros, “Facile synthesis of transition metal (M = Cu, Co) oxide grafted graphitic carbon nitride nanosheets for high performance asymmetric supercapacitors,” Materials Letters, vol. 308, p. 131156, Feb. 2022, doi: 10.1016/J.MATLET.2021.131156.