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Um sistema capaz de gerar hidrogênio sem emissão de carbono, utilizando apenas luz solar, água e matéria-prima amplamente disponível no Brasil, foi desenvolvido por pesquisadores do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE).
O protótipo, um fotoeletrolisador, teve desempenho bem-sucedido em testes realizados em laboratório e ao ar livre, conforme descrito em artigo publicado no periódico ACS Energy Letters.
Apesar de ainda não existir comercialmente, o fotoeletrolisador surge como uma possibilidade promissora para a produção de hidrogênio verde por ser autossuficiente em energia — ele não precisa estar conectado a uma fonte externa, graças à presença de um fotoânodo.
O fotoânodo, um dos dois eletrodos do dispositivo, absorve luz solar e utiliza essa energia para promover reações eletroquímicas que resultam no desprendimento do hidrogênio da molécula de água. A produção de fotoânodos estáveis, eficientes e com materiais de baixo custo é um desafio de décadas na comunidade científica.
“Neste trabalho, apresentamos um avanço essencial nesse caminho ao superar um dos principais gargalos da área: a obtenção de um fotoânodo de hematita eficiente, estável e escalonável”, afirma Flavio Leandro de Souza, professor da Universidade Federal do ABC (UFABC), pesquisador do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) do CNPEM e membro do CINE, que liderou o estudo, à Agência FAPESP.
A hematita, um óxido de ferro abundante na natureza e resistente ao contato com água, é considerada promissora para a fotoeletrólise. Na pesquisa, sua eficiência foi ampliada por meio da adição de pequenas quantidades de óxidos de alumínio e zircônio — ambos materiais disponíveis no Brasil — sem comprometer a estabilidade do material.
Com foco na escalabilidade, os pesquisadores desenvolveram um método de produção de fotoânodos adaptável à indústria. Foram fabricadas 100 unidades idênticas, usadas para montar um sistema modular: cada conjunto de dez fotoânodos forma um fotoeletrolisador, e dez desses equipamentos podem compor um módulo de 1 m².
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- Em laboratório, o sistema funcionou de forma estável por 120 horas sob um simulador de luz solar;
- Um protótipo formado por dois fotoeletrolisadores também foi testado ao ar livre, mantendo a mesma eficiência observada nos testes internos e demonstrando robustez;
- O desenvolvimento e os testes ocorreram no CNPEM, em trabalho conduzido por seis pesquisadores e com colaboração do professor Renato Gonçalves, do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP), que construiu o simulador de luz solar de grande área usado nos experimentos;
- Atualmente, a equipe trabalha no desenvolvimento do segundo eletrodo do fotoeletrolisador, o cátodo, com o objetivo de que também opere apenas com luz solar;
- “O próximo passo, já em andamento, é um módulo operando 100% com irradiação solar, com cada fotorreator composto por fotoânodo e fotocátodo”, explica Souza.
Segundo o pesquisador, o sistema pode ser vantajoso para indústrias que necessitam de hidrogênio verde em pontos específicos do processo, permitindo injetar o gás diretamente na operação. A modularidade facilitaria a adaptação do tamanho e da capacidade do equipamento às necessidades de cada aplicação.
Próximos passos
Expandir a escala de produção dos dispositivos está nos planos da equipe, mas exige investimentos significativos em infraestrutura e segurança para a realização dos testes necessários. “É uma etapa crucial, e a colaboração com empresas interessadas é essencial”, destaca Souza.
A pesquisa também recebeu financiamento da FAPESP por meio do Centro de Pesquisa em Engenharia Molecular para Materiais Avançados (CEMol).
Sobre o CINE
O CINE, criado em 2018 pela FAPESP e pela Shell como um Centro de Pesquisa Aplicada (CPA), reúne pesquisadores da Unicamp, USP, UFSCar e outras oito instituições brasileiras.