Por meio de fotólise da água – Pesquisadores aumentam em 30 vezes a capacidade de um semicondutor produzir hidrogênio verde

Fotólise para produção de H2 utilizando o Mo:SrTiO3/NiO@Ni(OH)2 como fotocatalisador

Através de uma inovadora forma para gerar hidrogênio verde, pesquisadores liderados pelo Prof. Renato Vitalino Gonçalves (IFSC/USP), conseguiram aumentar em trinta vezes a capacidade de um material semicondutor produzir hidrogênio verde por intermédio da fotólise da água, processo este que consiste em dividir a molécula de água usando luz como única fonte de energia.

Segundo matéria publicada no portal da Sociedade Brasileira de Pesquisa em Materiais (SBPMat), este avanço contribui para o desenvolvimento de formas eficientes de gerar hidrogênio verde, que é o combustível produzido usando energia renovável e limpa.

No citado artigo é descrito o procedimento e as considerações do Prof. Renato Vitalino Gonçalves.

“Para que a fotólise ocorra, é necessário contar com um fotocatalisador suspenso na água. O fotocatalisador é um material semicondutor capaz de absorver luz e, a partir disso, gerar as cargas (elétrons e buracos) necessárias às reações de oxidação e redução que provocam a dissociação das moléculas de água (H2O) em hidrogênio (H2) e oxigênio (O2). Além disso, o material deve ser estável em ambiente aquoso.

“O titanato de estrôncio (SrTiO3) é um dos principais materiais semicondutores aplicados à fotólise para produção de hidrogênio verde por atender os requisitos físico-químicos para oxidar e reduzir a molécula de água”, diz o professor Renato Vitalino Gonçalves, autor correspondente do artigo que reporta esta pesquisa no periódico ACS Applied Energy Materials. “Contudo, existem algumas limitações intrínsecas a este material que cerceiam seu potencial fotocatalítico, como, por exemplo, seu largo bandgap de ~3,2 eV, que restringe sua absorção óptica à região do UV, a qual corresponde a apenas 4%, aproximadamente, do espectro solar”, completa o cientista. Outra limitação deste material, comum a todos os semicondutores, é a rápida recombinação de elétrons e buracos, a qual impede que essas cargas fluam livremente e possam promover as reações de oxidação e redução.

Dessa forma, a equipe brasileira, conduzida pelo professor Gonçalves, decidiu modificar o titanato de estrôncio para aumentar a sua eficiência na fotólise. Inicialmente, os pesquisadores doparam o semicondutor com o metal de transição molibdênio (Mo) e obtiveram partículas cúbicas desagregadas com faces bem definidas. O dopante, não convencional, foi responsável por tornar o material capaz de absorver luz na região do visível, a qual representa cerca de 43% do espectro solar.

Em um segundo momento, os autores do trabalho depositaram nanopartículas de níquel de cerca de 2 nm na superfície das partículas obtidas. O resultado foi uma junção de semicondutores de dois tipos: o Mo:SrTiO3, de tipo n, e o NiO@Ni(OH)2, de tipo p. “Nesta nova configuração, os buracos fotogerados são direcionados para a estrutura de NiO@Ni(OH)2, enquanto os elétrons migram para a superfície do Mo:SrTiO3, resultando em uma melhor separação de cargas e, consequentemente, redução na taxa de recombinação de elétrons e buracos”, explica Gonçalves.

Os fotocatalisadores foram colocados em suspensão em uma solução aquosa com 20% de metanol como agente de sacrifício – uma estratégia amplamente utilizada para incrementar a produção de hidrogênio e, ainda, gerar subprodutos de alto valor para a indústria química. “Quando misturado em água, este álcool é preferencialmente oxidado, em detrimento do lento processo de oxidação da água”, diz o professor Gonçalves. “Ainda assim, o H2 produzido é a partir da redução da molécula de água e não como subproduto da oxidação do metanol”, completa.

Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) do Mo:SrTiO3/NiO@Ni(OH)2 e mapeamento EDS

Ao aumentar a luz absorvida e diminuir a perda de cargas fotogeradas, o material “turbinado” apresentou um excelente resultado na produção de hidrogênio por fotólise: um aumento da sua atividade fotocatalítica de cerca de 30 vezes com relação ao semicondutor puro.

Cooperação científica brasileira

O trabalho científico foi liderado pelo professor Renato Vitalino Gonçalves, que coordena o Grupo de Nanomateriais e Cerâmicas Avançadas (NaCA) e o Laboratório de Fotossíntese Artificial e Nanomateriais (LAPNano) no IFSC-USP. A síntese dos materiais e o estudo das suas propriedades estruturais, ópticas e eletrônicas, bem como o seu desempenho fotocatalítico para a produção de hidrogênio verde foram desenvolvidas no IFSC-USP, dentro da pesquisa de doutorado de Higor Andrade Centurion, orientada pelo professor Gonçalves.

A identificação e caracterização das nanopartículas de níquel no material foi realizada com a colaboração de uma equipe da UFABC e do LNNano-CNPEM, formada pelo professor Flávio Leandro de Souza, a pós-doutoranda Ingrid Rodriguez-Gutierrez  e o pesquisador Jefferson Bettini. Em colaboração com a professora Liane M. Rossi (IQ-USP), foi realizada a quantificação do níquel utilizando a técnica de espectroscopia de absorção atômica por chama.

Além disso, com a colaboração do professor Heberton Wender (UFMS) foi possível realizar medidas de fotoluminescência que corroboraram a supressão da recombinação das cargas fotogeradas pela formação da junção p – n.

Finalmente, simulações computacionais que permitiram entender o comportamento dos materiais foram realizadas junto ao professor Matheus M. Ferrer, da UFPel, e ao mestrando Lucas Gabriel Rabelo, do IFSC-USP, que também teve orientação do professor Gonçalves.

O trabalho foi financiado, principalmente, pela FAPESP e, através do RCGI, pela FAPESP/Shell. Também contou com apoio financeiro da FAPERGS”.

Para acessar o artigo científico relativo a esta pesquisa, clique AQUI.

(Com informações da SBPMat)

Por Rui Sintra – Assessoria de Comunicação – IFSC/USP

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