Resumo:
Os pesquisadores desenvolveram recentemente um novo dispositivo de "folha artificial" inspirado em folhas naturais, que pode usar a luz solar para produzir hidrogênio limpo diretamente da água do mar poluída e, ao mesmo tempo, decompor o poluente tóxico hidrazina nas águas residuais industriais, alcançando simultaneamente as duas funções de produção de energia e purificação de água. Este resultado foi publicado na revista "Nature Communications" e é considerado uma nova ideia mais eficiente e sustentável para a futura produção de energia de hidrogénio verde.
O hidrogénio é amplamente considerado como uma das importantes fontes de energia limpa no futuro, mas o processo tradicional de produção de hidrogénio requer frequentemente uma grande quantidade de energia. O método mais comum atualmente é a eletrólise da água, que utiliza corrente elétrica para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. No entanto, a maioria dos sistemas de eletrólise depende de preciosos recursos de água doce. Embora a água do mar seja abundante, é difícil utilizá-la diretamente porque contém uma grande quantidade de íons cloreto. Os íons cloreto não apenas reduzem a eficiência da reação, mas também podem produzir subprodutos de cloração corrosivos e tóxicos, causando danos ao equipamento.
Para superar esses problemas, uma equipe de pesquisa da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura, projetou um novo dispositivo movido a luz. O dispositivo pode coletar energia solar da mesma forma que as folhas das plantas realizam a fotossíntese e converter a energia luminosa diretamente na energia elétrica necessária para conduzir reações químicas, sem a necessidade de suporte de fonte de alimentação externa adicional.
A equipe de pesquisa introduziu um catalisador composto de ferro, cobalto e cromo na parte anódica do dispositivo. O catalisador decompõe a hidrazina, um produto químico altamente tóxico comumente encontrado em águas residuais industriais, em hidrogênio e nitrogênio. Comparado com a reação que produz oxigênio nos processos tradicionais de eletrólise da água, esse processo de oxidação da hidrazina requer menos energia, podendo melhorar significativamente a eficiência geral da produção de hidrogênio. Ao mesmo tempo, a hidrazina como poluente é efetivamente removida, realizando a função de purificação de águas residuais.
Os pesquisadores dizem que esse design traz benefícios duplos. Por um lado, o cátodo utiliza a luz solar para conduzir a água do mar para produzir hidrogénio; por outro lado, o ânodo também produz hidrogénio adicional enquanto processa hidrazina prejudicial, aumentando assim a produção total de hidrogénio do sistema. Além disso, o catalisador possui excelente resistência à corrosão e suas propriedades elétricas, físicas e químicas podem ser ajustadas de acordo com diferentes requisitos de aplicação.
Mais importante ainda, este mecanismo de reação também pode inibir significativamente a geração de subprodutos prejudiciais de cloreto durante a eletrólise da água do mar. Devido à geração reduzida de substâncias corrosivas e tóxicas, espera-se que a estabilidade de operação e a vida útil dos equipamentos sejam melhoradas.
Na parte de conversão fotoelétrica, os pesquisadores usaram materiais de perovskita de haleto de chumbo para fazer cátodos. Este tipo de material semicondutor tem atraído grande atenção nos últimos anos devido à sua alta eficiência na absorção de energia luminosa e na conversão em energia elétrica. Para evitar a degradação do material devido ao ambiente da água do mar, a equipe o protegeu com resina epóxi condutora contendo partículas de prata e cobre, além de folha de titânio.
Resultados experimentais mostram que o dispositivo pode gerar corrente de forma estável, seja em água do mar simulada ou em amostras reais de água do mar. Sua densidade de fotocorrente atinge 25 miliamperes por centímetro quadrado, o que está no nível líder entre os resultados atuais relatados de fotocátodo de perovskita à base de chumbo, indicando sua excelente capacidade de conversão de energia solar.
O teste de estabilidade também teve um bom desempenho. Em condições equivalentes à intensidade da luz solar natural num dia claro, o dispositivo funciona continuamente há mais de 72 horas e o seu desempenho permanece estável. Ao mesmo tempo, as concentrações de hidrazina foram reduzidas de 0,5 moles por litro para 0,5 partes por bilhão (ppb), bem abaixo do limite de segurança de 10 ppb da Agência de Proteção Ambiental dos EUA.
A equipa de investigação acredita que esta tecnologia prova a viabilidade da utilização da energia solar para conduzir diretamente a água do mar para produzir hidrogénio e, simultaneamente, tratar poluentes. Em seguida, planeiam expandir ainda mais o âmbito de aplicação da plataforma para lhe permitir lidar com mais tipos de poluentes e explorar a possibilidade de converter resíduos em combustíveis ou produtos químicos industriais, promovendo assim o desenvolvimento integrado de energia verde e tecnologias de gestão ambiental.
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