Divisão fotocatalítica de água impulsionada pela luz solar para produção de hidrogênio em escala

4 de outubro de 2021
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Por Ademilson Ramos – Emgenharia E – 24 de setembro de 2021 – Vista panorâmica do sistema de reação do painel fotocatalítico de produção de hidrogênio. Crédito: Adaptado de Nishiyama, H., Yamada, T., Nakabayashi, M. et al.

A produção de hidrogênio solar em larga escala por meio da separação da água usando um fotocatalisador em pó é considerada um dos métodos mais promissores de produção de combustíveis sustentáveis no futuro.

Em 2018, este grupo de pesquisa demonstrou que o reator de painel fotocatalítico de divisão de água pode ser dimensionado em até 1 metro quadrado de tamanho sem comprometer a atividade de divisão de água solar do fotocatalisador.

No entanto, a separação em grande escala e coleta de hidrogênio solar além da escala de laboratório nunca foram realizadas.

Foi necessário revisar o projeto do reator de painel fotocatalítico e desenvolver um sistema para separar com segurança a mistura de gás hidrogênio e oxigênio em um ambiente externo.

O projeto de pesquisa conjunta envolvendo NEDO, ARPChem, The University of Tokyo, Fujifilm, TOTO, Mitsubishi Chemical, Meiji University e Shinshu University (que foi responsável pela tecnologia de divisão de água fotocatalítica) demonstrou que em uma área externa de grande escala de 100m2 é possível dividir a água usando um fotocatalisador de pó e raios solares para recuperar o hidrogênio solar do gás hidrogênio-oxigênio gerado.

Testes de segurança mais rigorosos ainda são necessários, mas se um sistema projetado corretamente for usado, o gás hidrogênio-oxigênio altamente explosivo pode ser manuseado com segurança por longos períodos.

Portanto, um sistema para a produção de uma grande quantidade de hidrogênio solar a baixo custo por meio da melhoria do fotocatalisador responsivo à luz visível, do painel do fotocatalisador e do módulo de separação de gás está ao nosso alcance.

Alcançar essa façanha exigiu muito avanço tecnológico e colaboração de especialistas de várias áreas.

O desenvolvimento e a demonstração da separação estável do hidrogênio do gás misturado com hidrogênio e oxigênio úmido, independentemente das condições do tempo e da luz do sol, é uma tecnologia inovadora sem precedentes que está atualmente sob revisão de patentes.

O professor associado Takashi Hisatomi da Shinshu University da Research Initiative for Supra-Materials, que é um especialista em fotocatálise para separação de água e produção de hidrogênio, afirma que “ao demonstrar todo o processo desde a geração de hidrogênio até a separação na maior escala do mundo, a realização de um sistema de produção de hidrogênio solar baseado na reação de divisão da água usando fotocatalisadores em pó tornou-se mais realista e será mais bem compreendido pelo público em geral.”

O fotocatalisador neste estudo usa luz ultravioleta.

Hidrogenio verde

Hidrogênio verde. Imagem de Linus Nylund em Unsplash

Um fotocatalisador responsivo à luz visível altamente eficiente com um nível de praticidade de 5% ou mais eficiência de conversão de energia solar precisará ser realizado para implementação no mundo real.

O grupo também está trabalhando para reduzir o custo e expandir a escala do painel do fotocatalisador.

O atual reator de painel é robusto, mas é necessário desenvolver um reator barato que possa ser produzido em massa, mantendo a durabilidade e a segurança.

O desempenho de separação e a eficiência energética do processo de separação de gás precisam ser melhorados porque a membrana de separação usada foi pronta e não foi projetada para este módulo de separação de gás.

O desempenho de separação do hidrogênio do gás misto de hidrogênio-oxigênio não foi suficiente.

O processo de separação não tem precedentes, portanto, não há exemplo comparativo, o que significa que ainda há espaço para melhorias.