Combustível limpo: novo método é capaz de produzir hidrogênio a partir da água com energia solar

Fernando Reinach

É possível imaginar que a humanidade poderá usar luz e água para produzir um combustível que, ao ser queimado, produzirá água, em um ciclo totalmente limpo

Por Fernando Reinach

 

07/01/2023

    

O hidrogênio é um combustível poderoso e limpo. Sua queima na presença de oxigênio libera energia na forma de calor capaz de mover carros e navios e cozinhar nossa comida. Além disso, o hidrogênio tem uma enorme vantagem: sua queima na presença de oxigênio produz água, a mais inofensiva molécula que podemos liberar na atmosfera. Mas se é tão bom por que não é mais usado? A razão é bem conhecida: produzir hidrogênio em larga escala é difícil e caro. A grande novidade é que agora foi descoberto um método capaz de produzir hidrogênio a partir da água usando energia solar, e com uma eficiência de mais de 9%.

Quando as escolas no Brasil ainda tinham aulas práticas de química, todos os alunos aprendiam a produzir hidrogênio e oxigênio a partir da água. Para isso basta colocar água com sal em um vidro, ligar um fio de cobre ou platina em cada polo de uma pilha e colocar as pontas dos fios na água. Logo borbulhas de hidrogênio se formam em um polo e borbulhas de oxigênio aparecem no outro polo.

Nesse aparato simples, a energia da corrente elétrica separa os átomos de oxigênio e hidrogênio presentes numa molécula de água (lembrem-se que a água é formada por dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio). E se você usar uma célula fotoelétrica em vez de uma pilha para produzir a corrente elétrica, é possível quebrar a molécula de água usando luz solar.

Novo método mais eficiente usa energia solar. Foto: Getty Images

Método

Faz décadas que os químicos vêm tentando transformar esse aparato simples em algo capaz de produzir hidrogênio em larga escala e com um custo baixo. O fato é que ainda não tiveram sucesso. As razões são bem conhecidas, mas difíceis de explicar aqui. Esse processo é chamado de fotoeletroquímico, pois usa energia solar (foto) para produzir a eletricidade (eletro) que provoca a reação química (químico) e que separa o hidrogênio do oxigênio da água.

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Nos últimos anos, os cientistas têm trabalhado no desenvolvimento de um outro método chamado fotocatálise. Nesse método, é usado um catalisador (uma molécula que facilita a quebra da molécula de água separando o oxigênio e o hidrogênio, mas que não se altera e não é consumida) e luz solar.

O aparelho é extremamente simples: um frasco fechado, transparente, com o catalisador preso no fundo, onde é colocada a água. Esse frasco é iluminado diretamente pela luz solar, concentrada no frasco por uma lente. E pronto, o catalisador faz com que a energia solar quebre a molécula de água separando o oxigênio do hidrogênio que são liberados na forma de gás e são facilmente separados. É quase como se você fervesse a água, mas no caso da fervura o gás liberado é vapor de água (nesse caso a molécula de água está intacta com o oxigênio ligado ao hidrogênio). Na fotocatálise, o gás liberado é uma mistura de hidrogênio e oxigênio, duas moléculas distintas.

Parece e de fato é simples. O segredo todo está no catalisador, a molécula que permite que a reação funcione. Dezenas de grupos de cientistas, faz anos, vêm tentando produzir um catalisador que permita que essa reação ocorra de forma rápida e eficiente. Agora, finalmente, esse catalisador foi descoberto. O catalisador é composto por nano fios organizados em forma cristalina do composto indium gallium nitride (InGaN)/gallium nitride (GaN).

Essa molécula complicada é sintetizada diretamente sobre uma folha de silício. É essa folha, com esses fios finíssimos organizados em colunas, que é colocada no fundo do frasco de vidro e recoberta com água. Esse catalisador de certa forma prende as moléculas de água e absorve a luz solar fazendo com que a energia da luz seja usada para romper a molécula de água, separando o oxigênio do hidrogênio. Somente uma parte do espectro da luz é usada na reação, mas a parte infravermelha ajuda a manter o frasco a 70 graus Celsius, a temperatura ideal para que a reação ocorra. As bolhas de gases se desprendendo do catalisador são facilmente visíveis.

O mais impressionante é que esse sistema funciona por tempo indeterminado sem consumir o catalisador, contanto que seja adicionada mais água e que a luz solar continue a incidir sobre o frasco. O sistema pode usar água de torneira, água do mar ou água destilada e tem uma eficiência de 9,2% (9,2% da energia solar incidente é recuperada na forma de hidrogênio).

O próximo passo será aumentar o sistema de modo a produzir quantidades comerciais de hidrogênio e oxigênio. Caso os cientistas tenham sucesso nessa etapa, é possível imaginar que a humanidade poderá usar luz e água para produzir um combustível que, ao ser queimado, produzirá água. Um ciclo totalmente limpo do ponto de vista ambiental. Imagine um carro que se mova usando hidrogênio produzido a partir de água e luz solar e que emita pelo escapamento somente água. Agora é esperar e torcer para que essa descoberta científica seja convertida em uma tecnologia que possa ser consumida por toda a humanidade.

Mais informações: Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting. Nature