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Desenvolver semicondutores capazes de potencializar a produção de energia limpa. Este é o principal objetivo do projeto Engenharia de banda de semicondutores em dupla configuração e sua utilização para produção de hidrogênio verde e conversão de CO2 em produtos químicos de elevado valor, realizado no âmbito do Centro de Pesquisa para Inovação em Gases de Efeito Estufa (RCGI), constituído pela Shell e Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e sediado na USP. O projeto atua em duas frentes. Uma delas está focada na produção de hidrogênio verde por meio da fotólise da água, processo que divide a molécula de água usando luz como única fonte de energia.
“Hoje cerca de 95% do hidrogênio usado no mundo vêm de fonte fóssil”, explica o coordenador do projeto, Renato Vitalino Gonçalves, professor do Instituto de Física de São Carlos (IFSC) da USP. “Ao lançar mão da água, nossa ideia é zerar a pegada de carbono desse hidrogênio, que pode ser usado não apenas para abastecer veículos com motor do tipo célula a combustível, mas também na fabricação de plásticos, por exemplo.”
Recentemente os pesquisadores do projeto publicaram um trabalho no periódico ACS Applied Energy Materials, da American Chemical Society (ACS), dos Estados Unidos. O artigo é um desdobramento da pesquisa de doutorado do físico Higor Andrade Centurion, orientado por Gonçalves. No estudo, os pesquisadores relatam ter conseguido aumentar em cerca de 30 vezes a produção de hidrogênio por meio da fotólise da água. Para chegar a esse resultado, a equipe primeiro inseriu um dopante, o molibdênio (Mo), na estrutura do semicondutor, no caso de titanato de estrôncio dopado com íons de molibdênio (SrTiO3). “Isso turbinou o semicondutor”, constata Gonçalves.
De acordo com o pesquisador, nas reações em geral, o semicondutor é um fotocatalisador. Ou seja, ao absorver luz, o material gera as cargas elétricas (elétrons e buracos) necessárias às reações de oxidação e redução que, no caso, provocaram a dissociação das moléculas de água (H2O) em hidrogênio (H2) e oxigênio (O2). “Em geral, os semicondutores de óxidos metálicos absorvem apenas os raios ultravioleta, que correspondem a cerca de 4% do espectro solar”, observa o professor do IFSC. “Com o dopante, o material também foi capaz de absorver luz da região do visível, que representa cerca de 43% do espectro solar. O aumento de luz potencializa a reação.”
Na sequência, os pesquisadores depositaram nanopartículas ultrapequenas de óxido de níquel sobre a superfície das partículas do titanato de estrôncio com íons de molibdênio, obtendo com isso dois semicondutores, um com o titanato e outro com óxido e hidróxido de níquel, para os quais foram direcionadas as cargas de buracos fotogerados e elétrons, respectivamente. “Ao conseguir separar as cargas, reduzimos drasticamente a rápida recombinação de elétrons e buracos, que é recorrente em reações que utilizam semicondutores”, diz Gonçalves.
