Para alcançar a descarbonização, precisamos desenvolver fontes de energia limpas e confiáveis em larga escala. Uma das chaves para essa transição dos combustíveis fósseis será o hidrogênio, que pode ser armazenado por longos períodos e usado como substituto do gás natural para alimentar turbinas ou em células de combustível de queima limpa. A Agência Internacional de Energia (AIE) observa que, para atingir emissões líquidas zero até 2050, o mundo precisa que o hidrogênio satisfaça pelo menos 10% do consumo total de energia.
A produção de hidrogênio já é uma realidade, mas 95% da produção nos EUA ocorre por meio da queima de combustíveis fósseis para isolá-lo — um processo intensivo em emissões que não contribui para a descarbonização. É por isso que a produção de hidrogênio limpo a partir da divisão de moléculas de água com fontes de energia renováveis é importante. O uso de energia solar para dividir a água em seus componentes de hidrogênio e oxigênio tem sido chamado de um dos “santos graais” da química.
No entanto, realizar essa reação em uma escala grande o suficiente para a comercialização continua sendo um desafio. Isso exige que as propriedades dos materiais envolvidos sejam muito específicas, e os cientistas trabalham há décadas para encontrar candidatos adequados. Meus colegas e eu no CAS exploramos recentemente o estado da pesquisa sobre fotocatálise, e nossas descobertas na CAS Content CollectionTM mostram que a comunidade científica está dando passos significativos em direção à viabilidade comercial.
Ainda há um trabalho importante a ser feito, mas é um momento empolgante para estar envolvido nessa pesquisa.
O que é fotocatálise?
A fotocatálise é uma reação química realizada pela irradiação de materiais semicondutores, geralmente dispersos em um meio aquoso, formando pares de elétrons e lacunas. Demonstrada pela primeira vez em 1972 por Kenichi Honda e Akira Fujishima, essa reação ocorreu quando a luz incidiu sobre um eletrodo de dióxido de titânio submerso em água. As lacunas criadas pela reação podem atrair mais elétrons das moléculas de água circundantes, dividindo assim a água em oxigênio e hidrogênio.
Esse processo resulta em uma produção de hidrogênio livre de emissões, que pode ser armazenado para uso como combustível de queima limpa e substituto de combustíveis fósseis. A fotocatálise também é promissora para outros tipos de remediação ambiental, particularmente na purificação de água e na destruição de contaminantes em águas residuais. Ela degradou com sucesso microrganismos e substâncias não orgânicas, como corantes e produtos químicos na água. Esse processo pode ser viável para a remediação de pesticidas no solo — um avanço fundamental na tecnologia além das reações que ocorrem na água ou em solução.
Produzir hidrogênio limpo sem infraestrutura complexa é, sem dúvida, a aplicação mais urgente desse processo. A fotocatálise pode ser realizada com um pó adicionado à água, o que é muito mais simples do que a outra forma de produzir hidrogênio sem emissões por meio de eletrolisadores movidos a energia solar. Como resultado, os pesquisadores aceleraram seus esforços para encontrar os fotocatalisadores certos e tornar esse processo comercialmente viável.
As pesquisas mais recentes sobre fotocatálise
Ao analisar a CAS Content CollectionTM, descobrimos que os conceitos mais comuns citados na literatura de periódicos e patentes abordavam reações fotocatalíticas e as propriedades dos próprios materiais fotocatalisadores. Isso faz sentido, pois os fotocatalisadores precisam usar a luz visível para serem economicamente competitivos com os combustíveis fósseis. A maior parte da luz solar incide na faixa visível, por isso precisamos usá-la como uma forma acessível de impulsionar reações em larga escala. Especificamente, a eficiência da conversão de energia solar em hidrogênio (STH) deve ser de pelo menos 6-10% ou mais.
Quais propriedades os fotocatalisadores precisam ter para alcançar isso? Primeiro, suas bandas de condução e valência devem estar em certas posições (Fig. 2). O posicionamento dessas bandas permite o movimento de elétrons — uma propriedade dos semicondutores e uma parte necessária da reação fotocatalítica. A banda de condução deve ser negativa em zero volts, e a banda de valência deve ser positiva em 1,23 volts ou mais. Se as bandas de um fotocatalisador não estiverem nessas posições, não haverá energia suficiente para a reação.
Em segundo lugar, o band gap, ou seja, o espaço entre as bandas de condução e de valência, deve ser capaz de absorver luz visível. Para atender a esse critério, o band gap deve estar entre 1,23 e 3,1 volts. O dióxido de titânio é um material estável com bandas em posições adequadas, mas não consegue absorver luz visível, portanto, não será econômico para fotocatálise em larga escala. Nos últimos 10 anos, os pesquisadores voltaram-se para outros fotocatalisadores.
Como você pode ver na Figura 3, os fotocatalisadores mais estudados além do dióxido de titânio incluem óxido de zinco, nitreto de carbono, estruturas metalorgânicas (MOF) e outros:
A propriedade comum entre esses fotocatalisadores é o seu band gap, que é inferior a 3,0 volts e, portanto, capaz de absorver luz visível (Fig. 4). Apesar de possuírem essas propriedades, os fotocatalisadores examinados ainda apresentam deficiências. Como resultado, os cientistas estão explorando mais opções para melhorar a eficiência da reação.
Desafios futuros
Como nossa análise mostra, com exceção do uso de luz solar concentrada, os fotocatalisadores em consideração não atingiram o limite de STH de 6% (Fig. 4).
Os pesquisadores estão tentando combinar catalisadores para obter as propriedades corretas de posições de banda e band gaps. A técnica mais promissora em consideração é chamada de heterojunção de esquema em degrau (S-scheme) ou a combinação de dois fotocatalisadores com uma estrutura de banda escalonada. A posição dessas bandas, quando trabalham juntas, pode levar os elétrons a realizar a reação fotocatalítica de forma robusta e eficiente — um passo importante para expandir o uso desta tecnologia.i
No entanto, nunca é tão simples quanto apenas combinar dois catalisadores. Uma vez combinados os materiais, podem ocorrer outros resultados inesperados. Por exemplo, elétrons e lacunas podem se recombinar antes de realizarem a reação desejada. Os pesquisadores estão explorando cocatalisadores para controlar esse processo de recombinação. Os cocatalisadores podem ser depositados na superfície dos fotocatalisadores, o que acelera a utilização dos portadores de carga gerados. Vários materiais cocatalisadores estão sendo pesquisados, mostrando que o futuro da fotocatálise é promissor, mesmo que ainda haja muito trabalho a ser feito.
Tornando realidade um futuro movido a hidrogênio
Dividir moléculas de água em hidrogênio e oxigênio sem produzir emissões não é uma tarefa simples — os cientistas trabalham nisso há décadas. Ainda há um progresso considerável a ser feito antes que esse processo seja economicamente viável o suficiente para substituir os combustíveis fósseis por hidrogênio limpo.
Embora os desafios sejam formidáveis, não há razão para acreditar que sejam insuperáveis. Uma análise recente da CAS Content CollectionTM comprova que a pesquisa inovadora sobre fotocatalisadores está crescendo. À medida que técnicas como a configuração S-scheme e o uso de cocatalisadores aumentam, também aumentarão os avanços na eficiência de STH e a capacidade de comercializar essa tecnologia.
Com a experimentação contínua e melhorias na ciência dos materiais, o mundo pode alcançar a promessa da produção de hidrogênio em larga escala e tornar realidade um futuro descarbonizado.
