Dispositivos semelhantes a folhas, leves o suficiente para flutuar na água, poderiam ser usados para gerar combustível a partir de fazendas solares localizadas em fontes de água abertas – um caminho que não havia sido explorado antes, de acordo com pesquisadores da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, que os desenvolveu. Os novos dispositivos são feitos de substratos finos e flexíveis e camadas absorventes de luz à base de perovskita, e testes mostraram que eles podem produzir hidrogênio ou gás de síntese (uma mistura de hidrogênio e monóxido de carbono) enquanto flutuam no rio Cam.
Folhas artificiais como essas são um tipo de célula fotoeletroquímica (PEC) que transforma a luz solar em energia elétrica ou combustível, imitando alguns aspectos da fotossíntese, como a divisão da água em seus constituintes oxigênio e hidrogênio. Isto é diferente das células fotovoltaicas convencionais, que convertem luz diretamente em eletricidade.
Como as folhas artificiais PEC contêm componentes de coleta de luz e de catálise em um dispositivo compacto, elas poderiam, em princípio, ser usadas para produzir combustível a partir da luz solar de maneira simples e barata. O problema é que as técnicas atuais para produzi-los não podem ser ampliadas. Além disso, são frequentemente compostos por materiais a granel frágeis e pesados, o que limita a sua utilização.
Em 2019, uma equipe de pesquisadores liderada por Erwin Reisner desenvolveu uma folha artificial que produzia gás de síntese a partir da luz solar, dióxido de carbono e água. Este dispositivo continha dois absorvedores de luz e catalisadores, mas também incorporava um substrato de vidro espesso e revestimentos para proteção contra a umidade, o que o tornava complicado.
Versão nova e leve
Para fazer a versão nova e mais leve, Reisner e colegas tiveram que superar vários desafios. A primeira foi integrar absorvedores de luz e catalisadores em substratos resistentes à infiltração de água. Para fazer isso, eles escolheram um óxido metálico de película fina, vanadato de bismuto (BiVO4) e semicondutores fotoativos conhecidos como perovskitas de haleto de chumbo, que podem ser revestidos em plástico flexível e folhas metálicas. Eles então cobriram os dispositivos com tereftalato de polietileno repelente à água com mícron de espessura. O resultado foi uma estrutura que funciona e parece uma folha de verdade.
“Colocamos os absorvedores de luz no centro dos aparelhos, para protegê-los da água”, explica Reisner. “A perovskita sensível à umidade, em particular, precisa ser completamente isolada.”
Os catalisadores são depositados em ambos os lados do dispositivo. As perovskitas e BiVO4 colhem a radiação solar, mas em vez de produzir eletricidade como um painel fotovoltaico, usam a energia colhida para alimentar uma reação química com o apoio dos catalisadores. “Isso nos permite essencialmente conduzir a química em um painel solar – no nosso caso, convertendo o gás de efeito estufa dióxido de carbono em água para produzir gás de síntese, um importante transportador de energia industrial”, diz Reisner. Mundo da física.
Os pesquisadores testaram suas folhas flutuando no rio Cam, em Cambridge, e descobriram que elas convertem a luz solar em combustíveis com a mesma eficiência que as folhas naturais das plantas. Na verdade, um dispositivo contendo um catalisador de platina alcançou uma atividade de 4,266 μmol H2 g-1 h-1.
Fazendas para síntese de combustível
“As fazendas solares tornaram-se populares para a produção de eletricidade; imaginamos fazendas semelhantes para síntese de combustível”, diz membro da equipe Virgílio Andrei. “Isso poderia abastecer assentamentos costeiros, ilhas remotas, cobrir lagos industriais ou evitar a evaporação da água dos canais de irrigação.”
O fluxo líquido é direcionado na superfície inspirado nas folhas das coníferas
“Muitas tecnologias de energia renovável, incluindo tecnologias de combustível solar, podem ocupar grandes quantidades de espaço em terra, portanto, transferir a produção para águas abertas significaria que a energia limpa e o uso da terra não competiriam entre si”, acrescenta Reisner. “Em teoria, você poderia enrolar esses dispositivos e colocá-los em quase qualquer lugar, em quase qualquer país, o que também ajudaria na segurança energética.”
Os pesquisadores dizem que agora trabalharão para ampliar e melhorar a eficiência e estabilidade de seus dispositivos. “Nossa equipe também está estudando novos catalisadores para ampliar o escopo químico das folhas artificiais, permitindo-nos fabricar outros produtos a partir de matérias-primas abundantes e, idealmente, no longo prazo, muitos produtos químicos diferentes sob demanda”, diz Reisner.
O presente estudo é detalhado em Natureza.
