Renato Vitalino Gonçalves.

A produção de hidrogênio verde por meio da foto(eletro)catálise representa uma promissora abordagem para a geração de energia limpa e renovável. Até o momento, o semicondutor TiO2 tem sido amplamente empregado na separação foto(eletro)catalítica da água em H2 e O2 utilizando eletrodos de 1 cm2 de área ativa. No entanto, sua larga energia de band gap (3,2 eV) limita sua aplicação prática em larga escala, pois sua absorção de luz ocorre predominantemente na faixa do espectro ultravioleta (UV), que corresponde apenas cerca de 4 do espectro solar. Diante disso, o objetivo principal deste projeto é desenvolver eletrodos de vanadato de bismuto (BiVO4), o qual apresenta um band gap estreito de 2,3 eV, permitindo uma absorção eficaz de uma ampla faixa de comprimentos de onda da radiação solar. Essa característica torna o BiVO4 altamente adequado para a produção eficiente de hidrogênio a partir da água e da luz solar. Apesar dos avanços em direção à escalabilidade dessa tecnologia, uma limitação crucial é observada ao aumentar a escala dos eletrodos semicondutores ativos. Uma redução da eficiência é predominantemente atribuída às perdas ôhmicas originadas da resistividade dos materiais semicondutores depositados em substratos de óxido de estanho dopado com flúor (FTO). Em consonância com tal desafio, o projeto em busca desenvolver módulos constituídos por múltiplos eletrodos compostos por filmes de BiVO4, sendo cada um com uma área ativa de 25 cm. Essa abordagem visa mitigar as perdas ôhmicas resultantes do transporte de elétrons e buracos. Em síntese, o ponto central deste projeto reside na criação de um dispositivo de produção de hidrogênio em larga escala, fundamentado na inovação dos eletrodos de BiVO4. Assim, o propósito final deste projeto em longo prazo é estabelecer o Brasil como um protagonista na tecnologia de geração de hidrogênio verde por meio da foto(eletro)catálise, uma abordagem que se mostra econômica e ambientalmente vantajosa.

Hidrogênio verde (H2V) tem sido proposto como uma alternativa limpa para substituir os combustíveis fósseis no setor de transporte e geração de eletricidade, uma vez que seu uso em célula a combustível produz apenas vapor de água como subproduto. Hidrogênio tem a maior relação energia-peso comparado aos combustíveis fósseis, onde em 1 kg de H2 é possível converter até 30 kWh de energia útil, enquanto com a gasolina é possível obter 10 kWh/kg. Hidrogênio verde é aquele produzido a partir de fontes de energia limpa e renovável, sendo considerado o melhor candidato para a campanha &quot;Race to Zero&quot;, que é uma agenda global, com metas para zerar as emissões líquidas de gases do efeito estufa até 2050. A fotossíntese artificial é um dos processos mais promissores para a geração de hidrogênio verde, uma vez que H2 é produzido pela quebra da molécula da água utilizando um material semicondutor e luz solar. No entanto, problemas intrínsecos dos materiais semicondutores, tais como alta recombinação de cargas, instabilidade e baixa difusão eletrônica são alguns dos responsáveis pelo baixo desempenho dos atuais dispositivos na fotossíntese artificial. Neste projeto, iremos concentrar nossos esforços no desenvolvimento de um dispositivo de dois eletrodos; semicondutor tipo-n e semicondutores do tipo-p, a base dos materiais n-BiVO4, p-CuO e p-Cu2O, respectivamente. Especificamente, iremos estudar a dopagem da estrutura do n-BiVO4, associado a formação de heterojunção com ferritas semicondutoras FeMOx (M = Ni, Mn), que apresentam grande potencial para melhorar as propriedades de transporte e separação de cargas, resultando na redução da taxa de recombinação do par elétron-buraco. Os semicondutores do tipo-p CuO e Cu2O são materiais abundantes e de baixo custo, que apresentam elevadas densidades de fotocorrentes teóricas de 7,5 mA/cm2 para BiVO4, 35 mA cm-2 para CuO e ~15 mAcm-2 para o Cu2O. Porém, apesar de possuir band gap na faixa de 1,2 - 2,0/eV, apresentam defeitos na estrutura eletrônica, que limitam a transferência de cargas, associado aos potenciais redox que tem energia entre as bandas de condução e valência, que inevitavelmente leva a ocorrência de autofotorredução ou auto-oxidação após a iluminação, que resulta em uma baixa estabilidade química, sendo uma barreira a ser superada. Neste projeto iremos aumentar a eficiência de transporte de cargas para a superfície, e contornar a instabilidade dos semicondutores do tipo P através de deposição de camadas hiperfinas (< 3 nm) e dopagem da estrutura eletrônica. O dispositivo final terá uma configuração de dois eletrodos dos materiais otimizados a base de n-BiVO4 e p-CuO/Cu2O com alta absorção de luz solar na região do espectro do visível, que proporcionará a produção de H2V via fotossíntese artificial sem polarização externa (zero bias).

O desenvolvimento de materiais estáveis #8203;#8203;com estrutura de banda adequada, capazes de absorver a luz solar na faixa do espectro de luz visível e propiciar separação de cargas, são os grandes desafios. Vários materiais semicondutores, incluindo o Fe2O3 e o TiO2, possuem uma estrutura de banda adequada e elevada estabilidade para reações fotoquímicas, porém, na maioria das vezes a mobilidade e difusão de portadores de cargas (elétrons e buracos) na superfície são curtas, o que resulta em uma baixa eficiência fotocatalítica para conversão e geração de combustíveis.A formação de heterojunção com dois materiais semicondutores adequados para absorção de luz visível (dupla configuração) é uma estratégia promissora para solucionar esses problemas.Desta forma, o objetivo geral do projeto é a síntese e estudo de propriedades físicas e químicas de materiais semicondutores ativos à luz visível em configuração simples (único absorvedor) e dupla configuração (absorvedores-duplos) para aplicação na produção de H2 verde e conversão de CO2 em produtos químicos de alto valor agregado.Para atingir essa meta, o projeto se concentrará em seis objetivos específicos:(i) Desenvolvimento de materiais semicondutores nanoestruturados fotoativos sob luz visível: Fe2TiO5, CuFeO2, g-C3N4, Bi2MoO6 e BiVO4;(ii) Formação de heterojunção de dupla configuração dos materiais alvos citados em (i). A dupla configuração consiste na formação de uma heterojunção de dois materiais semicondutores com propriedades eletrônicas adequadas para obter melhor absorção de luz solar e melhor desempenho na separação e transferência de cargas, potencializando as semi-reações de oxidação e redução;(iii) Deposição de cacatalisadores como Pt, Ni e Fe por pulverização catódica para melhorar a separação de cargas, de modo a aumentar a eficiência e seletividade das reações;(iv) Compreensão aprofundada das propriedades eletrônicas e estruturais dos materiais individuais e das heterojunções de dupla configuração;(v) Estudo da estabilidade química e reacional dos materiais configurados em heterojunções de dupla absorção nas reações de evolução de H2 e conversão de CO2; e(vi) Desenvolver reatores microfluídicos adaptados para a conversão de CO2 e evolução de H2.

Relatórios internacionais apontam que combustíveis fósseis sofrerão uma redução dramática de suas reservas no próximo século e para mitigar as consequências da dependência energética dos combustíveis fósseis é importante desenvolver processos e tecnologias que aumentem a geração de energias a partir de fontes renováveis. Dentro deste contexto, a produção de H2 pela quebra da molécula da água através da fotossíntese artificial utilizando luz solar e um semicondutor é certamente uma das formas mais promissoras de se produzir energia limpa. Este projeto visa promover os processos fotoquímicos movidos à energia solar utilizando BiVO4 como fotocatalisador para simular a fotossíntese natural e gerar energia. O semicondutor BiVO4 é um dos poucos materiais que apresenta características promissoras para realizar a reação da fotossíntese artificial de forma eficiente, pois tem valores teóricos de fotocorrente de 7,6 mA.cm2 e eficiência de conversão (STH) de 9,3, que são ideais para aplicações em larga escala. No entanto, os melhores resultados obtidos com o BiVO4 ainda estão abaixo desses valores teóricos devido algumas limitações e problemas associados a rápida recombinação de portadores de cargas e curto transporte eletrônico na superfície, que precisam ser superados para elevar sua eficiência em patamares mais próximos aos valores teóricos. Para melhorar as propriedades de transporte eletrônico, aqui propomos metodologias de sínteses; solvotermal assistida por líquido iônico, método de Pecchini, pulverização catódica e integração dessas metodologias para obter o melhor fotoanodo de BiVO4. Com expectativa de desenvolvimento de tecnologias inovadoras, esta proposta apresenta elementos sinérgicos que combinam expertises científicas distintas e complementares dos pesquisadores envolvidos, fazendo com que a proposta seja viável e promissora para desenvolver dispositivos a base de BiVO4 com propriedades adequadas para a produção de H2 via fotossíntese artificial, além da formação e treinamento de pessoal em novas áreas, bem como a conscientização pública nacional, com intuito de beneficiar a economia e o meio ambiente dos estados de São Paulo, Rio Grande do Sul e do Brasil como um todo.

A produção de hidrogênio pela quebra da molécula da água via fotossíntese artificial é considerada um processo promissor, renovável e limpo para a geração de energia. No entanto, a baixa eficiência de materiais semicondutores para realizar a reação utilizando luz visível é o obstáculo principal para tornar esse processo competitivo e viável comercialmente em larga escala de produção. Dióxido de titânio (TiO2) e hematita (#61537;-Fe2O3) são os materiais mais explorados e promissores para a produção de H2 e O2 via fotossíntese artificial devido sua abundância e propriedades eletrônicas adequadas. No entanto, muitos desafios precisam ser superados como a baixa difusão de portadores de carga na hematita, e no caso do dióxido de titânio a restrita absorção de luz do espectro solar. Neste projeto propomos estudar a síntese e as propriedades eletrônicas da pseudobrookita férrica (Fe2TiO5), que é uma combinação de hematita e dióxido de titânio, pois esse material apresenta melhor transporte de portadores de carga comparado ao #61537;-Fe2O3 e maior faixa de absorção de luz solar comparado ao TiO2. Devido a essas características, este material é um excelente candidato para superar os desafios apresentados pelo TiO2 e #61537;-Fe2O3. Além da síntese em escala nonométrica de fase única do Fe2TiO5, serão também estudados a dopagem da estrutura com íons do tipo W, Mo e Co e a formação de heterojunção por deposição de cocatalisadores duplos do tipo FeNiOx e CoNiOx para melhorar a transferência de carga e redução de recombinação do par elétron-buraco fotogerado. Diferentes técnicas avançadas como espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X e absorção de raios X serão aplicadas para entender as propriedades estruturais e eletrônicas dos materiais sintetizados.

A energia solar é a fonte de energia renovável mais abundante e limpa disponível na atualidade com perspectivas reais para a manutenção da matriz energética mundial. Dentre as possibilidades de utilização da energia solar, a reação da fotossíntese artificial para a geração de hidrogênio combustível é considerada a estratégia mais promissora. Entretanto, o desenvolvimento de semicondutores estáveis em meio aquoso e capaz de absorver luz solar na faixa do espectro da luz visível para a reação da fotossíntese artificial ainda continua sendo um grande desafio e tarefa notável. Recentemente, junções Tandem de dois materiais semicondutores, com propriedades eletrônicas e estruturais complementares, surgiram como uma nova tecnologia promissora para superar os desafios da reação da fotossíntese artificial. Assim, o principal objetivo deste projeto é o desenvolvimento de materiais semicondutores nanoestruturados com propriedades eletrônicas adequadas para absorverem luz solar na faixa do espectro da luz visível e, estáveis em meio aquoso, para a formação de novas junções Tandem com alta eficiência para a reação da fotossíntese artificial em suspensão. As junções Tandem serão preparadas via pulverização catódica modificada. A pulverização catódica modificada é um método físico que não utiliza agentes redutores, surfactantes ou estabilizadores para formar as junções, o que é altamente desejado na reação da fotossíntese artificial. As propriedades eletrônicas e estruturais dos materiais serão investigadas utilizando técnicas avançadas como espectroscopia de absorção de raios-X (XAS), espectroscopia de emissão de raios-X (XES), difração de raios-X (XRD), espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X (XPS), espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) e espectroscopia UV-Vis, a fim de desenhar sistemas Tandem de alta eficiência.

O projeto de pesquisa será desenvolvido no âmbito do RCGI- Research Centre for Gas Innovation da USP. O objetivo deste projeto é o desenvolvimento de processos catalíticos para a conversão de CO2 em produtos químicos e combustíveis. Esse objetivo será alcançado por meio de inovação no design de catalisadores empregando conceitos de nanotecnologia e química biomimética. Como objetivo secundário, esta tecnologia visa fortalecer a cadeia de valor do CCS (Carbon Capture and Storage) no panorama da pesquisa brasileira e mundial..

Esse projeto de pesquisa tem como objetivo o desenvolvimento de junções de materiais semicondutores nanoestruturados para formar catalisadores com aplicações na reação da fotossíntese artificial na geração de hidrogênio combustível via quebra da molécula da água utilizando energia solar.

A produção de hidrogênio a partir da água, usando catalisadores nanoestruturados e energia solar constitui um dos processos mais desafiadores e promissores para a geração de energia limpa e renovável da atualidade. Esse projeto objetiva o estudo e desenvolvimento de heterojunções semicondutoras nanoestruturadas com alto desempenho na geração fotocatalítica de hidrogênio, especificamente a partir do semicondutor n-BiVO4. Para isso, heterojunções semicondutoras do tipo p-n serão sintetizados por processos hidrotérmicos e, posteriormente, recobertas com nanopartículas cocatalisadoras de Pt visando aumentar a eficiência na produção de hidrogênio. As propriedades morfológicas e estruturais destes nanomateriais, assim como os processos fundamentais envolvidos na reação fotocatalítica para a geração de hidrogênio a partir da água, serão investigadas utilizando técnicas experimentais avançadas

A produção de hidrogênio a partir da água, usando catalisadores nanoestruturados e energia solar constitui um dos processos mais desafiadores e promissores para a geração de energia limpa e renovável da atualidade. Esse projeto objetiva o estudo e desenvolvimento de semicondutores de óxidos metálicos nanoestruturados (fotocatalisadores) com alto desempenho na geração fotocatalítica de hidrogênio. Para isso, nanomateriais semicondutores de diversificadas morfologias, dentre elas nanofios (NFs) e nanotubos (NTs), serão sintetizados por processos hidrotérmicos, reação de estado sólido e anodização e, posteriormente, recobertos com nanopartículas de Ni(OH)2 ou NiO que funcionarão como cocatalisadores visando aumentar a eficiência na produção de hidrogênio. As propriedades morfológicas e estruturais destes nanomateriais, assim como os processos fundamentais envolvidos na reação fotocatalítica para a geração de hidrogênio a partir da água, serão investigadas utilizando técnicas experimentais avançadas

O presente projeto de pesquisa foi elaborado com o intuito de produzir fotocatalizadores com band gap variável e controlável a partir de dopagem insitu para produzir fotocatalisadores nanoestruturados para produção de hidrogênio a partir da fotólise da água.

A crescente utilização de recursos naturais, como combustíveis fósseis, visando à produção de energia tem como conseqüência grandes malefícios para o planeta, gerando aumento considarável da temperatura da terra. Torna-se portanto, fundamental a busca por novas fontes de energia limpa e renovável. Essa busca impõe desafios científicos e tecnológicos voltados para a produção de dispositivos que sejam capazes de gerar energia de forma limpa e sustentável. Esse projeto de pesquisa tem como objetivo desenvolver uma nova concepção de sistema fotoquímico para produção de hidrogênio e seu uso na geração de energia de forma descentralizada.O presente projeto de pesquisa foi elaborado a partir das relações de parceria em desenvolvimento científico e tecnológico entre o Laboratório de Filmes Finos e Fabricação de Nanoestruturas (L3FNano) do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (IF-UFRGS) e a empresa CEEE-Companhia Estadual de Energia Elétrica cujo interesse é participar no desenvolvimento da tecnologia para posterior comercialização dos produtos que por ventura forem gerados com o desenvolvimento deste projeto.