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Segunda-feira, Agosto 8, 2022

Novo sistema de triagem pode apontar o caminho para energia limpa e renovável de hidrogênio – ScienceDaily

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Um novo sistema altamente sensível para detectar a produção de gás hidrogênio pode desempenhar um papel importante na busca de desenvolver o hidrogênio como uma alternativa ecologicamente correta e econômica aos combustíveis fósseis, segundo cientistas da Penn State.

“Construímos um novo sistema para detectar a evolução do hidrogênio que é o mais sensível do mundo”, disse Venkatraman Gopalan, professor de ciência e engenharia de materiais e física da Penn State. “Isso aborda um problema que não foi abordado, mas que é importante no futuro para a descoberta de materiais”.

A ferramenta pode ser usada para rastrear fotocatalisadores promissores, materiais que, quando colocados na água e expostos à luz solar, facilitam reações que dividem as moléculas de água em gases de hidrogênio e oxigênio, disseram os cientistas. O processo, chamado de separação de água, oferece uma fonte limpa e renovável de hidrogênio, mas é ineficiente e encontrar os fotocatalisadores certos para aumentar a produção de hidrogênio tem sido um desafio.

Em um estudo, a equipe descobriu que poderia testar quantidades menores de material fotocatalisador do que anteriormente possível e detectar quantidades muito pequenas de gás hidrogênio produzido, ou evolução de hidrogênio, na faixa de dezenas de nanomoles por hora por dezenas de miligramas de material. Eles publicaram recentemente suas descobertas no Revisão de Instrumentos Científicos.

“Se você se classificou baixo nas categorias de taxa de evolução do hidrogênio e na massa do fotocatalisador necessário, significa que é um sistema realmente sensível para descobrir novos materiais fotocatalíticos”, disse Huaiyu “Hugo” Wang, estudante de pós-graduação do Departamento de Materiais. Ciência e Engenharia que liderou o estudo e construiu o sistema. “E acontece que nosso trabalho foi o melhor em ambas as categorias.”

O desenvolvimento de fotocatalisadores é uma área de intensa pesquisa. Na Penn State, cientistas liderados por Ismaila Dabo, professora associada de ciência e engenharia de materiais, recentemente usaram um supercomputador para reduzir uma lista de mais de 70.000 compostos diferentes a seis candidatos promissores. Outra equipe liderada por Raymond Schaak, professor de química de materiais da DuPont, sintetizou os materiais em seu laboratório, mas criar mesmo pequenas quantidades é caro e demorado.

“Os fotocatalisadores típicos usam metais raros e preciosos, como a platina, que são imensamente caros”, disse Julian Fanghanel, estudante de pós-graduação em ciência e engenharia de materiais que é coorientado por Dabo e Schaak. “Para este projeto, estamos fazendo dezenas de amostras de materiais, portanto, produzi-los em grandes quantidades é impraticável, demorado e caro.”

Gopalan disse que o novo sistema permitirá que os cientistas testem quantidades menores desses materiais e concentrem os esforços nos candidatos mais promissores. Mas quando chegou a hora de testar as amostras, os pesquisadores descobriram que os equipamentos comerciais não eram sensíveis o suficiente, então Gopalan e Wang construíram seus próprios.

“Eles desenvolveram desde o início uma configuração de cromatografia gasosa excepcionalmente sensível para a detecção reprodutível de hidrogênio, que foi fundamental para a validação de nossas previsões computacionais”, disse Dabo. “Esta capacidade recém-desenvolvida foi um fator chave para confirmar a descoberta de novos fotocatalisadores para a produção solar de hidrogênio”.

Ao contrário das unidades comerciais, o novo design pode testar fotocatalisadores em estado puro, disseram os cientistas. Para serem eficazes, os fotocatalisadores requerem cocatalisadores e outras técnicas que melhoram ainda mais sua eficiência. O padrão-ouro, por exemplo, é o dióxido de titânio com partículas de platina adicionadas como cocatalisador. Fotocatalisadores sem esses complementos são considerados vazios.

“Quando estamos analisando novos materiais, não sabemos quais serão os cocatalisadores corretos”, disse Wang. “A resposta simples é – detectar a forma nua é a maneira mais rápida de ajudar a orientar a direção desse processo de descoberta de materiais”.

Dois dos materiais fotocatalisadores testados como parte do estudo tiveram um desempenho melhor do que o dióxido de titânio em seu estado puro, disseram os cientistas. Os resultados sugerem que um estudo mais aprofundado desses materiais pode produzir fotocatalisadores promissores.

“Se você tem um composto simples que se comportou muito melhor do que o dióxido de titânio, sabemos que este é um material potencial para otimizar”, disse Wang. “Se encontrarmos os co-catalisadores certos para esses materiais, podemos melhorá-los por ordem ou magnitude e esses materiais podem eventualmente ser úteis na divisão da água”.

Os cientistas disseram que o sistema é acessível e fácil de construir a partir de componentes disponíveis comercialmente. Ele apresenta uma baixa taxa de vazamento e um pequeno tamanho de volume da câmara de reação, o que permite uma sensibilidade de detecção três ordens de grandeza maior para evolução de hidrogênio do que um sistema de cromatografia gasosa convencional.

“Não é uma tecnologia totalmente nova, é apenas engenharia superior”, disse Gopalan. “O valor disso é que é um sistema simples e econômico que qualquer pessoa pode construir. E se o fizerem, sua pesquisa para descobrir novos fotocatalisadores será muito mais rápida.”

Também contribuiu da Penn State Rebecca Katz, estudante de pós-graduação no Eberly College of Science.

A National Science Foundation apoiou esta pesquisa.



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