Notícia

Energia solar pode ser armazenada sendo convertida em hidrogênio

Fonte

Technion | Instituto de Tecnologia de Israel

Data

segunda-feira, 30 agosto 2021 06:40

Áreas

Energia. Sustentabilidade. Tecnologias.

Recentemente, a revista Energy & Environmental Science relatou um avanço científico no estudo da hematita, um material importante e promissor na conversão da energia solar em hidrogênio por meio da separação fotoeletroquímica da água. O projeto de pesquisa foi liderado pelo Dr. Avner Rothschild, professor da Faculdade de Ciência e Engenharia de Materiais do Instituto de Tecnologia de Israel (Technion) e Yifat Piekner, doutorando do Programa de Energia Technion Nancy e Stephen Grand (GTEP).

A importância da energia solar é óbvia. O sol transmite energia para a Terra continuamente e, se formos capazes de aproveitá-la para nossas necessidades, o uso de combustíveis fósseis e poluentes como petróleo e gás não será mais necessário. O principal desafio na mudança para a energia solar reside na disponibilidade variável de luz solar à medida que o dia avança e as estações mudam. Cada lugar na terra experimenta a luz do sol por um período limitado durante o dia, mas, naturalmente, não há luz do sol à noite. Como a rede elétrica precisa de energia estável em todas as horas do dia e da noite, o uso da energia solar depende de nossa capacidade de armazená-la de forma que possa ser usada à noite e em dias nublados. O problema é que a forma conhecida de armazenamento de energia elétrica – usando baterias – é inaplicável quando se trata de fornecimento de energia elétrica para uma comunidade inteira. Além disso, a energia armazenada em baterias é adequada para algumas horas, mas as baterias não podem fornecer uma solução para armazenamento de longo prazo entre as estações do ano, por exemplo.

Uma possível solução para o problema de armazenamento é converter a energia solar em hidrogênio usando células solares fotoeletroquímicas. Essas células são semelhantes às células fotovoltaicas, que convertem energia solar em eletricidade, mas em vez de produzir eletricidade, elas produzem hidrogênio usando a energia elétrica gerada nelas. A energia é usada para a divisão fotoeletroquímica da água – o uso da energia da luz solar para dissociar diretamente as moléculas de água em hidrogênio e oxigênio.

A vantagem do hidrogênio sobre a eletricidade reside no fato de ser fácil de armazenar e de poder ser usado quando necessário para gerar eletricidade ou para outras necessidades, como para alimentar FCEVs (veículos elétricos a célula de combustível). Nesses casos, a célula de combustível substitui as baterias pesadas e caras dos carros e veículos semelhantes, e também pode ser usada para aquecimento residencial e industrial e para a produção de amônia e outras matérias-primas. A vantagem do hidrogênio como combustível é que sua produção e consumo não envolvem emissões de gases de efeito estufa, ou quaisquer outras emissões, exceto oxigênio e água.

Um dos principais desafios nas células fotoeletroquímicas é o desenvolvimento de fotoeletrodos eficientes e estáveis ​​em uma base ou eletrólito ácido, que é o ambiente químico no qual a água pode ser eficientemente dividida em hidrogênio e oxigênio. Os fotoeletrodos absorvem os fótons emitidos pelo sol e usam sua energia para gerar portadores de carga eletrônicos que produzem hidrogênio e oxigênio, respectivamente. O silício, que é o material semicondutor usado nas células fotovoltaicas, não pode servir como fotoeletrodo desse tipo, pois é instável em um eletrólito.

Este é o cenário no qual as células fotoeletroquímicas baseadas em fotoeletrodos de hematita foram desenvolvidas. A hematita é um óxido de ferro com composição química semelhante à ferrugem. A hematita é barata, estável, não tóxica e tem propriedades adequadas. No entanto, a hematita também tem suas desvantagens: por exemplo, a lacuna entre seu rendimento de energia teórico e o rendimento obtido na prática em dispositivos reais. Por razões que não foram esclarecidas até agora, apesar de décadas de pesquisa, a eficiência de conversão de fóton em hidrogênio em dispositivos baseados em hematita não chega nem na metade do limite teórico para este material. Em comparação, a eficiência de conversão de fótons em células solares de silício está muito próxima do limite teórico. Na presente pesquisa, que expande descobertas recentemente publicadas na revista científica Nature Materials, a equipe de pesquisa chefiada pelo Dr. Avner Rothschild apresenta uma explicação para o mistério: os fótons absorvidos pela hematita produzem transições eletrônicas localizadas que são “encadeadas” a uma localização atômica específica no cristal de hematita, tornando-os assim incapazes de gerar a corrente elétrica usada para a divisão da água, ou seja, a separação da água em seus elementos, hidrogênio e oxigênio.

E agora as boas notícias: usando um novo método de análise desenvolvido por Yifat Piekner com a ajuda de seus colegas de pesquisa, o Dr. David Ellis, do Technion, e o Dr. Daniel Grave, professor Universidade Ben-Gurion de Negev, o seguinte os dados foram medidos pela primeira vez:

• Eficiência quântica na geração de transições eletrônicas móveis (produtivas) e localizadas (não produtivas) em um material como resultado da absorção de fótons em diferentes comprimentos de onda;
• Eficiência de separação do buraco de elétron.

Esta é a primeira vez que essas duas propriedades (a primeira, de natureza ótica e a segunda, elétrica) foram medidas separadamente, enquanto estudos anteriores mediram o efeito combinado de ambas as propriedades. Sua separação permite uma compreensão mais profunda dos fatores que influenciam a eficiência energética dos materiais para a conversão da energia solar em hidrogênio ou eletricidade.

Além da conquista em termos de aplicação prática, este é um avanço científico que abre um novo caminho para a pesquisa sobre a interação luz-matéria em materiais de elétrons correlacionados.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Technion (em inglês).

Fonte: Technion. Imagem: Pixabay.