Explorando o papel dos defeitos de oxigênio em uma película protetora de dióxido de titânio para maximizar a eficiência da produção de hidrogênio

29 de maio de 2023

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pelo Conselho Nacional de Pesquisa de Ciência e Tecnologia

O hidrogênio vem ganhando destaque como fonte de energia limpa e eficiente. No entanto, o hidrogênio é realmente ecológico? A maior parte do hidrogênio comumente usado agora é o hidrogênio cinza derivado de combustíveis fósseis. Como seu processo de produção acompanha a geração de gases de efeito estufa, pode-se dizer que o hidrogênio cinza não é ecologicamente correto em sentido estrito. A era do hidrogênio verde sem emissões de carbono ainda não começou.

O Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) demonstrou a chave para a longevidade e eficiência de um fotoânodo com filme protetor, que é usado para produzir hidrogênio por meio da separação da água usando energia solar. Espera-se que isso avance a era do hidrogênio verde e ecológico.

O hidrogênio verde é produzido sem emissões de carbono usando fontes de energia renováveis. Um método representativo para produzir hidrogênio verde é a separação fotoeletroquímica da água usando o fotoânodo que é imerso diretamente no eletrólito e pode absorver a luz solar. Como resultado, o fotoânodo divide diretamente a água de contato em hidrogênio e oxigênio usando a energia solar absorvida. No entanto, como o fotoânodo está em contato direto com o eletrólito, ele está sujeito à corrosão superficial. Revestimentos de proteção de superfície foram depositados na superfície para evitar a corrosão da superfície.

Normalmente, materiais óxidos como o dióxido de titânio (TiO2) são usados ​​como películas protetoras para fotoânodos. Embora os materiais óxidos sejam maus condutores de eletricidade, sua condutividade pode ser modulada quando se formam defeitos de oxigênio, servindo como um canal para transporte de carga. A chave para prolongar a vida útil dos fotoanodos é desenvolver uma película protetora durável o suficiente para evitar a corrosão do eletrodo e capaz de manter a condutividade elétrica ideal.

A KRISS desenvolveu a primeira tecnologia do mundo para modular sistematicamente os níveis de defeitos de oxigênio em uma película protetora de dióxido de titânio (TiO2) de fotoânodo para maximizar a eficiência da produção de hidrogênio. A fim de explorar o papel dos defeitos de oxigênio no mecanismo de transferência de carga, a equipe de pesquisa determinou os níveis ideais de defeitos que maximizam a vida útil do fotoânodo e a produção de hidrogênio usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-X e análise eletroquímica.

Ao contrário de estudos anteriores que contavam com defeitos de oxigênio formados espontaneamente no filme protetor durante o processo de fabricação, esta pesquisa propõe um método direto de produção que controla os níveis de defeitos de oxigênio, permitindo a produção em massa.

De acordo com os resultados experimentais, o fotoânodo sem filme protetor apresentou uma rápida degradação na vida útil em uma hora, fazendo com que a eficiência de produção de hidrogênio caísse abaixo de 20% em relação ao estado inicial. Por outro lado, o fotoanodo com película protetora otimizada manteve uma eficiência de produção de hidrogênio de mais de 85% mesmo após 100 horas.