Hidrogênio solar é produzido com nanocristais inorgânicos

Publicado em 22/11/2012

A grande vantagem do hidrogênio é que ele pode ser usado tanto para a produção da eletricidade consumida em residências e fábricas, quanto diretamente nos automóveis, usando as células a combustível. O grande problema é que o hidrogênio usado industrialmente continua sendo produzido a partir do gás natural, um primo do petróleo. Mas uma possível solução para a fotossíntese artificial acaba de ser encontrada por dois estudantes da Universidade de Rochester, nos Estados Unidos.

clique para ampliar Ilustração do mecanismo de produção de hidrogênio: a luz que atinge o nanocristal (no centro) faz com que um elétron (ponto amarelo) seja transferido para o catalisador de níquel (molécula com a esfera azul grande), onde o hidrogênio (moléculas diatômicas cinza) é produzido. (Foto: Ted Pawlicki/University of Rochester)

Zhiji Han e Fen Qiu, encontraram uma solução para a maior desvantagem das técnicas de fotossíntese artificial para a produção de hidrogênio: a vida curta dos materiais fotossensíveis, responsáveis por absorver a luz do Sol.

Os melhores sistemas fotocatalíticos artificiais são baseados em materiais orgânicos, que suportam cerca de 10.000 ciclos de geração de átomos de hidrogênio, e então precisam ser substituídos.

Os dois estudantes descobriram como usar nanocristais inorgânicos e um catalisador barato à base de níquel para elevar esse rendimento para 600.000 ciclos.

"Os sistemas fotocatalíticos normalmente usam moléculas orgânicas para capturar a luz. O problema é que elas duram apenas algumas horas ou, com sorte, um dia. Os nanocristais funcionaram por duas semanas sem nenhum sinal de degradação," explicou o professor Todd Krauss, orientador dos dois estudantes.

Outra grande vantagem do trabalho é o uso de um catalisador barato - enquanto a platina tradicionalmente usada em experimentos desse tipo custa US$24.000 por onça, o níquel custa US$8.

Funcionamento da fotossíntese artificial

Um sistema de fotossíntese artificial precisa de três elementos básicos: um cromóforo para absorver a luz, um catalisador para combinar prótons e elétrons, e uma solução para conter todo o conjunto.

A equipe usou nanocristais de seleneto de cádmio como cromóforos, nitrato de níquel como catalisador e água como solvente. Os nanocristais foram incorporados em ácido dihidrolipoico, para ficarem solúveis em água. A solução recebeu ácido ascórbico como doador de elétrons, que precisa ser adicionado para que o sistema funcione continuamente.

Quando os fótons da luz do Sol incidem sobre o composto, eles arrancam elétrons do catalisador de níquel. Quando dois elétrons estão disponíveis, eles se combinam com prótons da água, com ajuda do catalisador, para formar uma molécula de hidrogênio (H2).

A eficiência quântica do sistema atingiu 66%, o que significa que, a cada 100 fótons que atingem a solução, são produzidas 66 moléculas de hidrogênio.

O sistema mostrou-se tão robusto que produziu hidrogênio enquanto a fonte de elétrons esteve presente - ela foi retirada depois de duas semanas para encerramento do experimento.

"Ele poderia continuar funcionando por mais tempo, mas nós ficamos sem paciência," confessa o professor Patrick Holland, coautor do estudo.

O uso dos nanocristais inorgânicos é a grande estrela da inovação, embora o material não possa ser considerado o mais ambientalmente correto possível - pontos quânticos de seleneto de cádmio (CdSe) são altamente tóxicos.

Mas a demonstração do princípio abre caminho para estudos de outros nanocristais ou do revestimento dos pontos quânticos com materiais que os tornem menos agressivos.