Sustentabilidade
Carbeto de Silício melhora como candidato à fotocatálise de hidrogênio
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Por que o hidrogênio é essencial para a descarbonização
As a busca por descarbonizar nossos sistemas de energia avança, fica claro que alguns processos podem precisar de mais do que apenas eletricidade verde. Isso pode ser verdade para o transporte, especialmente tarefas pesadas como ônibus e caminhões, certamente para navegação e aviação, e igualmente necessário para indústrias pesadas como produção de aço e produtos químicos.
A razão é que algumas aplicações exigem combustão muito quente (metalurgia), o fornecimento de átomos de hidrogênio energéticos sem usar metano (indústria química) ou um combustível de alta densidade energética (navegação), para os quais energia elétrica e baterias simplesmente não atendem.
“Carros de passeio podem ter bateria, mas caminhões pesados, navios ou aeronaves não podem usar uma bateria para armazenar energia. Para esses meios de transporte, precisamos encontrar fontes de energia limpas e renováveis, e o hidrogênio é um bom candidato.”
É por isso que pesquisadores e ativistas climáticos têm considerado o hidrogênio verde, produzido sem combustíveis fósseis, como alternativa. O problema, porém, é que a produção de hidrogênio verde tem sido cara demais para permitir adoção em massa em comparação aos combustíveis fósseis.
Como resolver o desafio da produção de hidrogênio verde
Até agora, a maioria dos métodos de produção de hidrogênio funciona em torno de um método de 2 etapas:
- Primeiro, produzir energia verde com solar, eólica, hidrelétrica ou qualquer outra forma renovável de energia.
- Segundo, usar essa eletricidade verde para alimentar a catálise da água em hidrogênio.
O problema disso é que qualquer processo de múltiplas etapas é necessariamente menos eficiente.
Por exemplo, a luz solar é convertida em energia por painéis solares com apenas 20‑25% de rendimento; então, a energia é transportada para um catalisador de hidrogênio, que também tem rendimento relativamente baixo. No final, o rendimento total da energia solar para hidrogênio provavelmente fica em poucos dígitos únicos.
E há a questão dos custos. O catalisador provavelmente consome metais raros como platina ou paládio. A produção de energia renovável também usa materiais raros como prata, e a transmissão de energia da fazenda solar para o catalisador costuma exigir investimentos massivos.
Por fim, a maioria dos catalisadores que produzem hidrogênio exigem um nível estável de energia elétrica, o que significa que grandes sistemas de baterias devem ser adicionados como componentes adicionais à infraestrutura necessária.
Existem muitas abordagens possíveis sendo exploradas. Por exemplo, discutimos anteriormente:
- Usar materiais diferentes para produção de hidrogênio, como tungstênio-cobalto ou níquel.
- Usar sucata de metal proveniente da usinagem de platina e cobalto.
- Criar um processo de fotossíntese artificial com nanopartículas de rutênio.
Cada um desses métodos pode, em última análise, gerar catalisadores mais baratos que não exigem grandes quantidades de platina nova para produzir hidrogênio.
Mas uma nova abordagem é fazer fotocatálise direta, ou a transformação da água em hidrogênio diretamente a partir da energia da luz solar, sem conversão em energia elétrica primeiro. A fotocatálise direta não só pode eliminar a necessidade de múltiplas etapas, como também usa materiais mais simples e menos raros para construir geração de energia verde e infraestruturas.
Esta é a abordagem defendida por pesquisadores da Linköping University (Suécia), Kyushu University (Japão), MAX IV Laboratory (Suécia) e Dalian University of Technology (China). Eles publicaram seu progresso mais recente no Journal of the American Chemical Society1 sob o título “Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C-SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting”.
Carbeto de Silício para Fotocatálise
Como o Carbeto de Silício permite a Fotocatálise Direta
Esta equipe de pesquisa trabalhou anteriormente com um material chamado carbeto de silício cúbico (3C‑SiC).
Fonte: RRL Solar
O material pode capturar efetivamente a luz solar para produção de hidrogênio através da reação fotoquímica de divisão da água.
Fonte: RRL Solar
Quando a luz solar incide sobre o material, cargas elétricas são geradas (como em um painel solar de policristal de silício), que são então usadas para dividir a água.
Um desafio no desenvolvimento de materiais para essa aplicação é impedir que as cargas positivas e negativas se recombinem novamente e se neutralizem.
Portanto, para tornar a divisão da água em hidrogênio mais eficaz, manter as cargas elétricas separadas é importante.
Design de Catalisador de Carbeto de Silício de Três Camadas
Os pesquisadores combinaram uma camada de carbeto de silício cúbico com duas outras camadas, usando hidróxido de níquel (Ni(OH)2) e óxidos de cobalto (Co3O4).
A equipe havia aperfeiçoado previamente a produção de carbeto de silício cúbico usando a técnica de sublimação, confirmando a qualidade do cristal com difração de raios X (XRD).
Eles também confirmaram que a interface entre as camadas aumentou a vida útil das cargas elétricas, aumentando a chance de os elétrons serem usados por reações químicas que dividem a água em hidrogênio e oxigênio.
“É uma estrutura muito complicada, então nosso foco neste estudo tem sido entender a função de cada camada e como ela ajuda a melhorar as propriedades do material.
O novo material tem desempenho oito vezes melhor que o carbeto de silício cúbico puro na divisão da água em hidrogênio.
Próximos Passos para Aumentar a Eficiência da Fotocatálise
Até agora, a fotocatálise de carbeto de silício só conseguiu alcançar um rendimento energético de 1‑3%.
A presença de uma camada “P-Type” de óxido de cobalto sob estruturas de hidróxido de níquel acelera o movimento dos elétrons, aumentando a produção de hidrogênio.
Embora ainda não esteja lá, os pesquisadores estimam que isso pode ser melhorado significativamente usando seu método.
Em última análise, espera‑se um rendimento >10%, sem necessidade de platina ou paládio, nem de infraestrutura elaborada ou de fornecimento contínuo de energia, com a produção de hidrogênio ocorrendo diretamente assim que o Sol ilumina o dispositivo.
Investindo em Empresas de Carbeto de Silício
ON Semi
ON Gráfico de preços
ON Semi é uma empresa de semicondutores especializada em eletrificação, incluindo no automotivo, mas também em outros setores como energia solar, baterias, aeroespacial, telecomunicações, data centers e medicina.
Como tal, é um parceiro chave para muitas das maiores empresas industriais do mundo.
Fonte: ON Semi
Uma grande parte da vantagem tecnológica da ON Semi baseia‑se no carbeto de silício, um tipo de composto de silício‑carbono usado para sistemas elétricos de alta energia. Eles permitem, notavelmente, cargas de potência muito altas necessárias para o carregamento rápido de veículos elétricos.
O carbeto de silício é o químico usado recentemente por pesquisadores para desenvolver grafeno semicondutor, como discutido em nosso artigo “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?” e, como discutido aqui, também tem potencial para geração de hidrogênio.
A estratégia da ON Semi de dobrar o investimento em carbeto de silício levou a empresa a experimentar um aumento de receitas nos últimos anos, impulsionado pela revolução dos veículos elétricos.
Fonte: ON Semiconductor
Baterias e sistemas elétricos cada vez mais poderosos e eficientes usando carbeto de silício estão se tornando cada vez mais importantes na cadeia de suprimentos global. Como líder no setor, a ON Semi provavelmente se beneficiará muito da tendência de eletrificação, especialmente veículos elétricos e outras energias verdes.
(Você também pode ler um texto mais longo sobre esta empresa em “On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification”.)
Últimas notícias e desenvolvimentos das ações da ON Semi (ON)
Estudo Referenciado
1. Hui Zeng, et al. (2025) Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C-SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting. Journal of the American Chemical Society Vol 147/Issue 17. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005
