Atualmente, os humanos produzem hidrogênio a partir do metano do combustível fóssil, usando uma grande quantidade de energia fóssil no processo. No entanto, as plantas colhem átomos de hidrogênio da água usando a Luz Solar. À medida que a humanidade tenta reduzir suas emissões de carbono, o hidrogênio é atraente tanto como combustível autônomo quanto como componente de combustíveis sustentáveis feitos com dióxido de carbono reciclado. Da mesma forma, é necessário para muitos processos químicos, produção de fertilizantes, por exemplo.

“No final, acreditamos que os dispositivos de fotossíntese artificial serão muito mais eficientes do que a fotossíntese natural, o que fornecerá um caminho para a neutralidade do carbono”, disse Zetian Mi, professor de engenharia elétrica e de computação da UM que liderou o estudo publicado na Nature.

O resultado notável vem de dois avanços. A primeira é a capacidade de concentrar a luz solar sem destruir o semicondutor que aproveita a luz.

“Reduzimos o tamanho do semicondutor em mais de 100 vezes em comparação com alguns semicondutores que trabalham apenas com baixa intensidade de luz”, disse Peng Zhou, pesquisador da UM em engenharia elétrica e de computação e primeiro autor do estudo.

“O hidrogênio produzido por nossa tecnologia pode ser muito barato.”

E a segunda é usar a parte de maior energia do espectro solar para dividir a água e a parte inferior do espectro para fornecer calor que estimula a reação. A mágica é possibilitada por um catalisador semicondutor que se aprimora com o uso, resistindo à degradação que tais catalisadores geralmente experimentam quando aproveitam a luz solar para conduzir reações químicas.

Além de lidar com altas intensidades de luz, ele pode prosperar em altas temperaturas que prejudicam os semicondutores do computador. Temperaturas mais altas aceleram o processo de separação da água, e o calor extra também incentiva o hidrogênio e o oxigênio a permanecerem separados, em vez de renovar suas ligações e formar água novamente. Ambos ajudaram a equipe a coletar mais hidrogênio.

Para o experimento ao ar livre, Zhou montou uma lente do tamanho de uma janela de casa para focar a luz do sol em um painel experimental de apenas alguns centímetros de diâmetro. Dentro desse painel, o catalisador semicondutor estava coberto por uma camada de água, borbulhando com os gases hidrogênio e oxigênio que separava.

O catalisador é feito de nanoestruturas de nitreto de índio e gálio, cultivadas em uma superfície de silício.

Essa bolacha semicondutora captura a luz, convertendo-a em elétrons livres e lacunas – lacunas carregadas positivamente deixadas para trás quando os elétrons são liberados pela luz.

As nanoestruturas são salpicadas com bolas de metal em nanoescala, com 1/2000 de milímetro de diâmetro, que usam esses elétrons e buracos para ajudar a direcionar a reação.

Uma camada isolante simples no topo do painel mantém a temperatura em 75 graus Celsius, ou 167 graus Fahrenheit, quente o suficiente para ajudar a estimular a reação e, ao mesmo tempo, ser fria o suficiente para que o catalisador semicondutor tenha um bom desempenho.

A versão externa do experimento, com luz solar e temperatura menos confiáveis, alcançou 6,1% de eficiência em transformar a energia do sol em combustível de hidrogênio. No entanto, dentro de casa, o sistema atingiu 9% de eficiência.

Os próximos desafios que a equipe pretende enfrentar são melhorar ainda mais a eficiência e obter hidrogênio de pureza ultra-alta que possa ser alimentado diretamente nas células de combustível. Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation, o Departamento de Defesa, o Michigan Translational Research and Commercialization Innovation Hub, o Blue Sky Program no College of Engineering da University of Michigan e pelo Army Research Office.