O material de óxido de titânio da Drexel permite que a luz solar impulsione a produção de hidrogênio verde

Aug 17, 2023

Os planos de energia limpa, incluindo o “Mapa do Hidrogénio Limpo” da Lei de Investimento em Infraestruturas dos EUA, contam com o hidrogénio como combustível do futuro. Mas a atual tecnologia de separação de hidrogénio ainda está aquém dos objetivos de eficiência e sustentabilidade. Como parte dos esforços contínuos para desenvolver materiais que possam permitir fontes alternativas de energia, pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Universidade Drexel produziram um material de nanofilamento de óxido de titânio que pode aproveitar a luz solar para desbloquear o potencial da molécula onipresente como fonte de combustível.

A descoberta oferece uma alternativa aos métodos atuais que geram gases de efeito estufa e exigem muita energia. A fotocatálise, um processo que pode separar o hidrogênio da água usando apenas a luz solar, tem sido explorada há várias décadas, mas permaneceu uma consideração mais distante porque os materiais catalisadores que permitem o processo só podem sobreviver por um ou dois dias, o que limita sua longa duração. eficiência a prazo e, consequentemente, a sua viabilidade comercial.

O grupo de Drexel, liderado pelos pesquisadores da Faculdade de Engenharia Michel Barsoum, PhD, e Hussein O. Badr, PhD, em colaboração com cientistas do Instituto Nacional de Física de Materiais em Bucareste, Romênia, relatou recentemente sua descoberta de um composto fotocatalítico à base de óxido de titânio, um material de nanofilamento tridimensional que pode ajudar a luz solar a extrair hidrogênio da água por meses a fio. Seu artigo “Lepidocrocite fotoestável, 1D-nanofilamentos à base de TiO2 para produção fotocatalítica de hidrogênio em misturas de água-metanol”, publicado na revista Matter, apresenta um caminho sustentável e acessível para a criação de combustível de hidrogênio, de acordo com os autores.

“Nosso fotocatalisador de nanofilamentos unidimensionais de óxido de titânio mostrou atividade substancialmente maior – em uma ordem de magnitude – do que seu equivalente comercial de óxido de titânio”, disse Badr. “Além disso, descobriu-se que nosso fotocatalisador é estável em água por 6 meses – esses resultados representam uma nova geração de fotocatalisadores que podem finalmente lançar a tão esperada transição de nanomateriais do laboratório para o mercado.”

O grupo de Barsoum descobriu nanoestruturas derivadas de hidróxidos (HDNs) – a família de nanomateriais de óxido de titânio, à qual pertence o material fotocatalítico – há dois anos, enquanto estava desenvolvendo um novo processo para fabricar materiais MXene, que os pesquisadores da Drexel estão explorando há vários anos. de aplicações. Em vez de usar o ácido fluorídrico cáustico padrão para gravar quimicamente os MXenes bidimensionais em camadas de um material chamado fase MAX, o grupo usou uma solução aquosa de uma base orgânica comum, o hidróxido de tetrametilamônio.

Mas, em vez de produzir um MXene, a reação produziu fios finos e fibrosos à base de óxido de titânio – que a equipe descobriria possuir a capacidade de facilitar a reação química que separa o hidrogênio das moléculas de água quando expostas à luz solar.

“Os materiais de óxido de titânio já demonstraram capacidades fotocatalíticas, portanto testar nossos novos nanofilamentos para esta propriedade foi uma parte natural do nosso trabalho”, disse ele. “Mas não esperávamos descobrir que eles não são apenas fotocatalíticos, mas também catalisadores extremamente estáveis ​​​​e produtivos para a produção de hidrogênio a partir de misturas de água-metanol.”

O grupo testou cinco materiais fotocatalisadores – HDNs à base de óxido de titânio, derivados de vários materiais precursores de baixo custo e prontamente disponíveis – e os comparou ao material de óxido de titânio da Evonik Aeroóxido, chamado P25, que é amplamente aceito como o material fotocatalisador mais próximo da viabilidade comercial. .

Cada material foi submerso em uma solução de água-metanol e exposto à luz ultravioleta-visível produzida por uma lâmpada iluminadora sintonizável que imita o espectro do sol. Os pesquisadores mediram a quantidade de hidrogênio produzido e a duração da atividade em cada conjunto de reator, bem como o número de fótons da luz que produziram hidrogênio quando interagiram com o material catalisador – uma métrica para compreender a eficiência catalítica de cada material.