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Feb 03, 2024

Sol

Progressos significativos foram feitos nos últimos anos em direção à produção de eletricidade a partir de energias renováveis. No entanto, a produção de combustíveis químicos, que actualmente representam cerca de 80% do

Progressos significativos foram feitos nos últimos anos em direção à produção de eletricidade a partir de energias renováveis. No entanto, a produção de combustíveis químicos, que actualmente representam cerca de 80% da energia que consumimos (IEA, World Energy Balances, 2020), a partir de energias renováveis ​​é mais desafiante. O desenvolvimento de métodos verdes de produção de combustíveis químicos, onde a energia renovável é armazenada em ligações químicas, como os hidrocarbonetos e o hidrogénio, é fundamental como forma de amortecer as energias intermitentes (como a eólica e a solar), fundamentais para apoiar a economia nacional ou internacional. transporte de energia e útil no fornecimento de energia para locais remotos ou descentralizados.

Para enfrentar este desafio, a Sun-To-X foi financiada pelo programa Horizonte 2020 da União Europeia e é um consórcio de nove parceiros composto por Organizações de Investigação e Tecnologia (RTOs), indústria e Pequenas e Médias Empresas (PME). O projeto teve início em setembro de 2020 e está previsto para ser concluído em fevereiro de 2024.

O projeto Sun-To-X visa explorar uma nova cadeia de valor para armazenamento de energia química (Fig. 1). Numa primeira fase, a energia solar é utilizada para produzir hidrogénio a partir da humidade ambiente ou da chuva, como matéria-prima de água. Este hidrogénio é então reagido através de um processo termoquímico com um precursor reciclável à base de óxido de silício para formar o HydroSil – um combustível líquido isento de carbono, não tóxico e com elevada densidade energética, que pode ser diretamente aplicável nos setores dos transportes e da energia.

A molécula HydroSil é estável por mais de um ano, tornando-a adequada para armazenamento de energia renovável a longo prazo. Em seguida, exploramos outro uso do HydroSil na despolimerização redutiva de resíduos plásticos para o desenvolvimento de uma economia circular. Para todos os processos desta cadeia de valor, o consórcio tem apostado na utilização de materiais abundantes para minimizar o seu impacto ambiental.

O projeto tem os seguintes objetivos técnicos principais:

Estes objectivos contribuem para os objectivos da União Europeia e da Missão de Inovação para o desenvolvimento económico e para o reforço da segurança energética através da construção de um sistema energético sustentável.

O hidrogénio solar pode ser produzido a partir de diversas tecnologias, incluindo a combinação de painéis fotovoltaicos e eletrolisadores (PV-E), que já são comercializados em pequena escala. No entanto, os desafios no custo de produção do hidrogénio solar impulsionaram o desenvolvimento de tecnologias alternativas, tais como abordagens fotoeletroquímicas. As tecnologias fotoeletroquímicas combinam as funcionalidades de absorção de luz e eletrodos em um único componente: fotoeletrodo semicondutor. A realização destes sistemas mais integrados poderia resultar num custo mais baixo da futura produção de hidrogénio solar (Shaner et al., Energy Environmental Science, 2016). Nossas metas visam desenvolver um dispositivo com eficiência de 10% de energia solar em hidrogênio.

A maior parte da pesquisa em tecnologias fotoeletroquímicas concentrou-se no uso de água líquida como matéria-prima de água. O uso da umidade ambiente como alternativa é uma opção cada vez mais pesquisada para ampliar a aplicabilidade geográfica do dispositivo, para solucionar problemas técnicos como formação de bolhas (que podem dispersar a luz e bloquear sítios catalíticos) e reflexão da luz na superfície da água. A principal diferença entre a utilização de uma fonte de água em fase líquida e gasosa é o uso de fotoeletrodos porosos para permitir a entrada de umidade no dispositivo, enquanto um fotoeletrodo de filme fino pode ser usado no caso da fase líquida. Além disso, é necessário o uso de um eletrólito sólido absorvente de água, como o Nafion, para a reação em fase gasosa, para colocar a umidade em contato com o fotoeletrodo.

Idealmente, os fotoeletrodos seriam posicionados em uma configuração chamada tandem, onde o fotoanodo e o fotocátodo absorvem, cada um, uma porção diferente do espectro solar (isto é, luz azul e vermelha), com nossa estrutura de dispositivo alvo mostrada na Fig. maximizar a eficiência solar em hidrogênio. Isto é um desafio quando se utiliza a configuração de fase gasosa, pois para transferir carga de forma eficaz, o fotoeletrodo deve ser depositado em um suporte condutor de carga. No caso de fotoeletrodos planos, podem ser usados ​​painéis de vidro revestidos com óxido de estanho dopado com flúor (FTO), que são condutores e transparentes - permitindo que a luz passe para o segundo fotoeletrodo. No entanto, os suportes porosos e condutores, ou camadas de difusão de gás, são normalmente preparados a partir de carbono ou metais (como o titânio) que são completamente opacos. Atualmente, os desafios na escalabilidade e estabilidade dos sistemas fotoeletroquímicos significam que o nível de prontidão tecnológica (TRL) desses sistemas tandem é atualmente três (funcional em configuração de laboratório). Durante o escopo do projeto, a meta é aumentar o TRL para cinco (demonstração em ambiente relevante).