Pesquisadores da Universidade Tecnológica de Nanyang construíram uma folha artificial movida a energia solar que produz hidrogênio a partir da água do mar enquanto decompõe a hidrazina, um poluente tóxico encontrado em efluentes industriais.
Uma equipe da Universidade Tecnológica de Nanyang (NTU) em Singapura apresentou uma folha artificial que produz hidrogênio a partir da água do mar usando apenas a luz solar. O dispositivo também destrói a hidrazina, uma substância química altamente tóxica encontrada em alguns efluentes industriais. Dessa forma, ele resolve simultaneamente a produção de combustível limpo e a remediação da poluição.
Os pesquisadores publicaram o trabalho na revista Nature Communications . A professora Lydia H. Wong, da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da NTU, liderou a equipe.
Por que a água do mar é dura
A maioria dos eletrolisadores divide a água doce e purificada. A água do mar é muito mais abundante, mas o sal presente nela causa problemas. Quando uma corrente elétrica passa por ela, os íons cloreto tendem a formar compostos de cloro que são corrosivos e tóxicos.
Esses compostos corroem os eletrodos e criam um problema de resíduos por si só. Consequentemente, a produção de hidrogênio a partir da água do mar geralmente requer dessalinização prévia, um processo caro, ou eletrodos resistentes à corrosão.
O abastecimento de água doce já é uma preocupação para os polos de hidrogênio planejados em regiões costeiras áridas, incluindo partes da Austrália, do Oriente Médio e do Norte da África. O uso direto da água do mar aliviaria essa pressão. Também seria adequado para estados insulares como Singapura, que possui uma estratégia nacional para o hidrogênio, mas recursos hídricos limitados.
O projeto da NTU contorna grande parte disso. A equipe equipou o ânodo com um catalisador que decompõe a hidrazina em hidrogênio e nitrogênio. Ao mesmo tempo, a reação suprime a formação de compostos de cloro.
Um cátodo de perovskita
Do outro lado do dispositivo, os pesquisadores construíram o cátodo a partir de perovskitas de haleto de chumbo. Esses materiais cristalinos absorvem bem a luz e a convertem em eletricidade de forma barata. Eles despertaram grande interesse na pesquisa solar na última década. Os fabricantes também podem processá-los a partir de solução em baixas temperaturas, o que reduz os custos.
Neste caso, o fotocátodo de perovskita atingiu uma densidade de fotocorrente de 25 miliamperes por centímetro quadrado. A densidade de fotocorrente mede a quantidade de corrente que o dispositivo produz por área iluminada. A equipe afirma que esse valor é um dos mais altos já relatados para cátodos de perovskita à base de chumbo.
O dispositivo também manteve uma produção estável por mais de 72 horas sob luz equivalente à luz solar plena em um dia claro. Além disso, produziu hidrogênio a uma taxa comparável à de dispositivos similares movidos a energia solar.
Limpando a água enquanto funciona
Como a folha funciona sem voltagem externa, ela é autossuficiente em energia. Simplificando, a luz solar sozinha impulsiona ambas as reações, sem necessidade de eletricidade da rede ou de uma bateria. Em testes, ela degradou a hidrazina para menos de uma parte por bilhão em cerca de 30 horas. Na prática, o dispositivo removeu quase todo o poluente da solução de teste.
A hidrazina é utilizada em processos industriais, incluindo a fabricação de produtos químicos, e como propelente de foguetes. Ela é tóxica para pessoas e para a vida aquática, portanto, o efluente que a contém requer tratamento cuidadoso. Um dispositivo que a remove durante a produção de combustível poderia transformar um custo de descarte em uma pequena fonte de valor.
Os pesquisadores por trás da inovação. A partir da esquerda: Dr. Stener Lie, Dr. Anupam Sadhu, Prof Lydia H. Wong e Dr. Hao Zhe Chun da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da NTU. Crédito: NTU Singapura
Obstáculos antes da expansão
Os resultados são em escala laboratorial e várias questões importantes permanecem em aberto. As perovskitas têm uma fragilidade conhecida: degradam-se quando expostas à umidade, calor e longos períodos de luz. Três dias de operação estável representam um resultado expressivo para essa classe de material, embora os sistemas comerciais precisem funcionar por anos.
O uso de chumbo também levanta questões para qualquer dispositivo projetado para ficar submerso em água. Os engenheiros precisariam demonstrar que o material permanece vedado por longos períodos. Além disso, a ampliação de pequenas células de laboratório para grandes painéis geralmente reduz a eficiência.
Ainda assim, o trabalho contribui para um conjunto crescente de abordagens para a produção direta de hidrogênio solar, incluindo materiais solares em camadas que aceleram a quebra da água . Para locais industriais costeiros, produzir hidrogênio a partir da água do mar enquanto se trata a água poluída é uma combinação atraente. O próximo passo é provar que o conceito pode sobreviver em condições reais fora do laboratório.
