Sciam
Clique e assine Sciam
Notícias

Perovskita favorece obtenção de energia a partir de água

O material promove a dissociação eficiente e barata da água em átomos de oxigênio e hidrogênio

Kelly Nash/Wikimedia Commons
Por Tim Wogan e ChemistryWorld

Um processo novo, altamente eficiente, para decompor água em hidrogênio e oxigênio foi demonstrado por pesquisadores na Suíça. O método combina um catalisador estável com uma célula solar altamente eficiente de perovskita. [A perovskita (óxido de cálcio e titânio  -CaTiO3,) é um mineral relativamente raro que ocorre em forma de cristais otorrômbicos, ou pseudocúbicos, que se caracterizam por três eixos cristalográficos mutuamente perpendiculares, mas cada um com um comprimente particular.]

Lamentavelmente, as células solares de perovskita têm a grande desvantagem de se decompor em poucas horas, mas os pesquisadores acreditam que futuros avanços na tecnologia de painéis solares deverão eliminar esse problema.

Sendo a fonte de energia mais abundante no planeta, a energia solar é extremamente atraente para desvincular a humanidade de combustíveis fósseis. Mas implementar a mudança é problemático.

A energia captada precisa ser armazenada até ser necessária e, como as fontes solares mais abundantes muitas vezes se concentram em regiões pouco habitadas, é preciso encontrar meios de levá-la a residências e empresas.

Uma opção é utilizar energia solar para separar água em hidrogênio e oxigênio. Mas para que esse processo seja eficaz, são necessárias duas coisas: um catalisador capaz de reduzir a barreira de ativação energética que decompõe a água para permitir que a reação prossiga a uma velocidade suficiente e uma célula fotovoltaica que forneça voltagem suficiente para superar essa barreira de energia.

Células solares convencionais utilizam silício como material fotovoltaico e, como silício é relativamente barato, as matérias-primas para esses dispositivos não custam caro. Mas esse elemento é um semicondutor indireto de “gap de energia” (também chamado “banda proibida’) e, portanto, ineficiente na absorção de luz, o que implica a necessidade de uma camada espessa.

Como uma camada tão espessa não pode ser depositada por solução, ela tem que ser cortada de um “wafer” (uma fatia fina de silício). Isso torna a montagem de células fotovoltaicas de silício muito caras, embora os preços tenham caído drasticamente com a automação.

Além disso, a voltagem de circuito aberto — a diferença potencial gerada entre os eletrodos positivos e negativos quando eles não estão conectados entre si — de uma célula solar tradicional de silício é limitada a aproximadamente 0,75 V ou menos, o que significa que três ou até quatro dessas células precisam ser conectadas em série para impulsionar o processo de decomposição da água.

Isso reduz a eficiência do processo e aumenta o custo. Células solares mais modernas, e mais caras, como as feitas de várias junções empilhadas, podem resolver esse problema, mas elas também aumentam o custo do processo.

Energizando perovskitas

Células solares de perovskita foram reveladas inicialmente em 2009 e, desde então, têm sido objeto de pesquisa intensa.

Como o material de perovskita tem uma banda proibida direta (ou gap de energia), absorve luz com eficiência muito maior: é necessária apenas uma camada fina e as células solares podem ser processadas a partir de uma solução o que reduz os custos de produção.

 

Na nova pesquisa, Michael Grätzel e colegas do Instituto Federal Suíço de Tecnologia em Lausanne apresentam um dispositivo de dissociação de água que com o estado-da-arte em célula solar de perovskita contendo o composto CH3NH3PbI3 como material ativo.

Essa célula tem uma eficiência de 17,3% e uma voltagem de circuito aberto superior a 1 V, o que significa que bastam duas células conectadas em série para fornecer voltagem suficiente para decompor água.

Atualmente, as células solares de perovskita são instáveis, começam a se decompor depois de apenas algumas horas. Mas de acordo com o autor principal do artigo, Jingshan Luo já houve alguns avanços para estabilizar essas células.

Os pesquisadores combinaram as novas células solares com um catalisador da dissociação de água altamente eficiente, demonstrado pela primeira vez pelo grupo de Hongjie Dai na Stanford University, na Califórnia, recoberto por uma camada de níquel e ferro duplo hidróxido.

Inicialmente, o grupo de Dai demonstrou esse material como catalisador para a liberação do oxigênio no ânodo, e Luo preparou o catalisador para essa finalidade. Acidentalmente, porém, ele descobriu que o material também catalisa extremamente bem a reação liberação de hidrogênio no cátodo, eliminando assim a necessidade de um segundo catalisador, e aumentando a potencial eficiência de custo da célula.

John Turner, do Laboratório Nacional de Energia Renovável dos Estados Unidos no Colorado, revela que vários grupos, inclusive o seu, têm empregado tecnologia fotovoltaica para decompor água. De acordo com ele, a novidade nesse caso está no uso de células solares de perovskita. Mas “ainda há muita pesquisa a ser feita antes que as células perovskita possam sequer chegar perto de realizar seja lá o que for que elas prometem”, conclui ele.

Este artigo foi reproduzido com permissão de Chemistry World. O artigo foi publicado originalmente em 26 de setembro de 2014.