Cientistas desenvolvem método para produção de hidrogênio verde

Engenheiros da Universidade de Illinois em Chicago (UIC) desenvolveram um método para a produção de gás hidrogênio a partir de água, utilizando apenas energia solar e resíduos agrícolas, como esterco ou cascas. O método reduz a energia necessária para extrair hidrogênio da água em 600%, criando oportunidades para a produção sustentável.

Os combustíveis à base de hidrogênio são uma das fontes mais promissoras de energia limpa. No entanto, a produção de hidrogênio puro é um processo que demanda muita energia, frequentemente requerendo carvão ou gás natural e grandes quantidades de eletricidade.

Em um artigo publicado na revista Cell Reports Physical Science, uma equipe multi-institucional liderada pelo engenheiro Meenesh Singh da UIC revela o novo processo para a produção de hidrogênio verde.

O método utiliza uma substância rica em carbono chamada biochar para diminuir a quantidade de eletricidade necessária para converter água em hidrogênio. Ao usar fontes de energia renováveis, como energia solar ou eólica, e capturar subprodutos para outros usos, o processo pode reduzir as emissões de gases de efeito estufa a zero.

A eletrólise, processo de divisão da água em hidrogênio e oxigênio, requer uma corrente elétrica. Em escala industrial, combustíveis fósseis são tipicamente necessários para gerar essa eletricidade.

Recentemente, cientistas diminuíram a voltagem necessária para a divisão da água introduzindo uma fonte de carbono à reação. Contudo, esse processo também utiliza carvão ou produtos químicos caros e libera dióxido de carbono como subproduto.

Singh e seus colegas modificaram esse processo para usar biomassa de produtos de resíduos comuns. Ao misturar ácido sulfúrico com resíduos agrícolas, resíduos animais ou esgoto, eles criaram uma substância pastosa chamada biochar, rica em carbono.

A equipe experimentou diferentes tipos de biochar feitos de cascas de cana-de-açúcar, resíduos de cânhamo, resíduos de papel e esterco de vaca. Quando adicionados à câmara de eletrólise, todas as variedades de biochar reduziram a energia necessária para converter água em hidrogênio. O melhor desempenho foi do esterco bovino, que reduziu a necessidade elétrica em seis vezes para aproximadamente um quinto de um volt.

Os requisitos energéticos foram tão baixos que os pesquisadores conseguiram alimentar a reação com uma célula solar de silício padrão gerando cerca de 15 miliamperes de corrente a 0,5 volt. Isso é menos do que a quantidade de energia produzida por uma bateria AA.

A Orochem Technologies Inc., que patrocinou a pesquisa, entrou com pedidos de patentes sobre seus processos de produção de biochar e hidrogênio, e a equipe da UIC planeja testar os métodos em grande escala.

O artigo dos pesquisadores recebeu o seguinte resumo:

As reações lentas de oxidação da água limitam a eletrólise da água para a produção de H2, o que pode ser aliviado pelo uso de materiais à base de carbono, como resíduos agrícolas, como agentes redutores. O biochar dessa biomassa pode reduzir os potenciais de equilíbrio das células em condições padrão de 1,23 V para 0,21 V, evitando a divisão direta da água no ânodo. No entanto, alguns desafios impedem a oxidação do biochar, incluindo má ligação do biochar, aglomeração de eletrodos e passivação de superfície. Descobrimos que a relação C/O melhorada, a cristalinidade e o potencial zeta negativo melhoram a cinética de oxidação do biochar em temperaturas moderadas. Tamanhos de partículas menores e melhor mistura evitam a aglomeração do eletrodo, melhorando a estabilidade do biochar. Aqui, relatamos a produção de H2 acoplada ao biochar sub-volt, muitas vezes referida como eletrólise de água assistida por biochar (BAWE), produzindo corrente de ∼250 mA / gcat H2 com 100% de eficiência Faradaica. Corrente superior a 1 mA foi observada em um potencial celular próximo ao equilíbrio de potencial celular de 0,2 V. Usando um BAWE alimentado por célula solar de junção única, ∼15 mA H2 é gerado a 1 Sol, resultando em ∼4,8% de eficiência solar para hidrogênio, equivalente a ∼35% quando a energia de H2 em relação a H2O (sem biochar) é assumido.

A íntegra do texto pode ser lida em doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102013