Nanotecnologia revela potencial de material barato para produção de hidrogênio verde

Publicado em 20/05/2022
Assessoria de Comunicação em 20/05/2022

Técnica inédita de manipulação do dissulfeto de molibdênio foi destaque em publicação internacional por abrir caminho para tecnologias na área de energia limpa e dispositivos nanoeletrônicos

 

Imagine a estátua do Cristo Redentor do Rio de Janeiro recoberta por um lençol de aproximadamente 1 mm de espessura a partir da sua base, cerca de 30 metros quadrados.

 

Foi algo semelhante ao que pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), organização supervisionada pelo Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovações (MCTI), obtiveram ao superar diversos desafios na manipulação do dissulfeto de molibdênio (MoS2) em nanoescala.

 

“Nós conseguimos uma das maiores razões de aspecto da literatura. Folhas compostas por monocamadas com 3 átomos de espessura, 0,7 nanômetros de espessura, que podem chegar a até quase um milímetro de comprimento”, comemora Murilo Santhiago, pesquisador do Laboratório Nacional de Nanotecnologia.

 

A obtenção do material nessa escala foi possível graças a um processo eletroquímico que gradativamente vai oxidando os cristais de dissulfeto de molibdênio, na forma em que são encontrados na natureza (multicamada), até que reste somente uma única camada do material (monocamada).

 

Estudos anteriores já demonstraram que as reações químicas que resultam na produção de hidrogênio acontecem principalmente nas bordas laterais das folhas (plano de borda) desse material. Para que a mesma reação ocorra no centro da folha (plano basal), recoberta por átomos de enxofre, é necessário gerar minúsculos defeitos que desempenham papel de sítios catalíticos.

 

O passo seguinte é a caracterização, análise da amostra em escala atômica em um microscópio eletrônico de transmissão, para tentar entender quais são os fatores que mais contribuem para a reação desejada.

 

Para superar o desafio de não contaminar nem gerar defeitos não propositais na estrutura do material, todo o processo de desbaste eletroquímico do cristal multicamada foi feito sobre membranas de ouro contendo microfuros de 20 micrômetros de diâmetro.

 

“No âmbito da nanotecnologia, preparar monocamadas que ocupam furos dessas dimensões, é como se recobríssemos pátios gigantescos, que criam excelentes condições para aprofundamento dos estudos desse tipo de material. São por essas fendas que o feixe de elétrons dos instrumentos de microscopia de transmissão vão revelar detalhes valiosos sobre os tipos de defeitos e sobre as melhores maneiras de “esculpir” o material de forma a obter as melhores características possíveis”, explica o pesquisador Murilo Santhiago.

 

Fotossíntese artificial e mais

Há uma corrida mundial para redução de emissões de carbono e o desenvolvimento de processos inspirados na natureza para otimizar o uso da energia solar para produção de energia estão entre os mais promissores e estratégicos.

O projeto de pesquisa do CNPEM, que teve financiamento do Instituto Serrapilheira, foi desenhado para contribuir na compreensão da atividade catalítica de nanomateriais bidimensionais voltadas à produção de hidrogênio obtido de forma sustentável, mas pode ir além do uso otimizado como catalisador em escala industrial.

“Como o dissulfeto de molibdênio (MoS2) é também um semicondutor, pode ser otimizado como material ativo também em aplicações que visam a inovação na produção de componentes nanoeletrônicos.”

Imagem de microscopia eletrônica de varredura de um cristal de MoS2 após o desbaste eletroquímico (esquerda)
e seu respectivo mapa de composição química (direita).

 

Patente e reconhecimento

O CNPEM decidiu patentear o processo eletroquímico inovador que torna possível avançar nos estudos de materiais como o dissulfeto de molibdênio, não tóxico, abundante, barato e que revela potencial para ser usado como substituto da platina, um material caro e escasso, mas considerado hoje a melhor alternativa para a catálise de hidrogênio.

O artigo científico que descreve detalhes dos processos, desafios superados e resultados foi publicado no periódico internacional Nanoscale, da Royal Society of Chemistry. Esse trabalho publicado irá compor uma seleção de artigos em uma edição especial a ser lançada no primeiro semestre de 2022 que destaca o trabalho de jovens pesquisadores na área de nanotecnologia.

 

Sobre o CNPEM

Ambiente sofisticado e efervescente de pesquisa e desenvolvimento, único no Brasil e presente em poucos centros científicos do mundo, o Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) é uma organização privada sem fins lucrativos, sob a supervisão do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações (MCTI). O Centro opera quatro Laboratórios Nacionais e é o berço do projeto mais complexo da ciência brasileira – Sirius – uma das fontes de luz síncrotron mais avançadas do mundo. O CNPEM reúne equipes multitemáticas altamente especializadas, infraestruturas laboratoriais globalmente competitivas e abertas à comunidade científica, linhas estratégicas de investigação, projetos inovadores em parceria com o setor produtivo e formação de investigadores e estudantes. O Centro é um ambiente impulsionado pela pesquisa de soluções com impacto nas áreas de Saúde, Energia e Materiais Renováveis, Agroambiental, Tecnologias Quânticas. A partir de 2022, com o apoio do Ministério da Educação (MEC), o CNPEM expandiu suas atividades com a abertura da Ilum Escola de Ciência. O curso superior interdisciplinar em Ciência, Tecnologia e Inovação adota propostas inovadoras com o objetivo de oferecer formação de excelência, gratuita, em período integral e com imersão no ambiente de pesquisa do CNPEM.