Ao aproveitar a química do silício em nanoescala, os cientistas estão a descobrir uma forma poderosa de produzir e armazenar hidrogénio de forma mais segura, barata e eficiente.
Crédito da imagem: Nova África/Shutterstock.com
O novo estudo em Nanomateriais explora como as nanoestruturas de silício poderiam promover a geração e o armazenamento de hidrogênio, um transportador de energia limpa frequentemente aclamado como um ator-chave em um mundo pós-combustível fóssil.
Os pesquisadores examinaram uma ampla gama de materiais à base de silício, incluindo nanopartículas, nanofiossilício poroso e silício amorfo. Eles descobriram que essas nanoestruturas podem produzir espontaneamente hidrogênio a partir da água e também armazená-lo de forma eficaz, em condições amenas e sem grande consumo de energia.
O Desafio do Hidrogênio
O hidrogênio oferece alta densidade energética e só emite água quando usado como combustível. No entanto, a sua adopção generalizada tem sido limitada por ineficiências de produção, transporte dispendioso e problemas de armazenamento. Os métodos existentes, como a liquefação ou os tanques de alta pressão, consomem muita energia e apresentam riscos de segurança.
Os materiais de armazenamento em estado sólido estão a surgir como alternativas, e o silício, um dos elementos mais abundantes da Terra, é especialmente promissor.
É barato, quimicamente reativo na forma de nanopartículas e compatível com métodos de fabricação escaláveis. O estudo destaca sua capacidade de cumprir as metas do Departamento de Energia dos EUA (DOE) para armazenamento de hidrogênio, como capacidade de 6,5% em peso e operação entre -20 °C e 100 °C em pressão próxima à ambiente, pelo menos em condições de laboratório.
Desempenho de materiais
A equipe avaliou como diferentes nanoestruturas de silício interagem com soluções à base de água ou álcool para produzir hidrogênio por meio de oxidação e hidrólise superficial. Eles também modelaram comportamentos de dessorção em silício nanocristalino incorporado em matrizes amorfas, revelando um processo de liberação em dois estágios dependente da temperatura.
As nanopartículas de silício, especialmente aquelas abaixo de 100 nm, tiveram um bom desempenho. Partículas menores reagiram mais rapidamente em condições alcalinas, produzindo até 1.589 mL de hidrogênio por grama à temperatura ambiente e aumentando para 580 mL/min/g a 50 °C.
Os pós moídos em esfera mostraram maior reatividade devido à maior densidade de discordância, embora este método ainda consumisse muita energia. Abordagens de síntese mais sustentáveis, como gravação de manchas e processamento assistido por plasma, também são exploradas.
Silício poroso, com áreas superficiais de até 430 m2/g, demonstrou um mecanismo duplo: quimissorção através de ligações Si-H e fisissorção dentro de sua rede de poros. A dessorção programada em temperatura confirmou a liberação de hidrogênio em uma ampla faixa térmica. A decoração do silício poroso com lítio ou paládio aumentou ainda mais sua capacidade, promovendo a fisissorção multicamadas.
Células de Combustível para Medicina
Os nanofios de silício se destacaram pela capacidade de produzir hidrogênio em condições ambientais sem luz ou catalisadores, graças à sua deformação superficial intrínseca e alta porosidade.
Integradas em fotocátodos e combinadas com catalisadores não preciosos como fosfeto de cobalto e nanopartículas de prata, as estruturas de silício também tiveram um bom desempenho em células fotoeletroquímicas, alcançando eficiências faradaicas acima de 98%, comparáveis aos sistemas à base de platina.
Além das aplicações energéticas, o estudo destacou um caso de uso menos conhecido do hidrogênio: a hidroterapia biomédica.
As nanopartículas de silício podem gerar hidrogênio no trato gastrointestinal, oferecendo efeitos antioxidantes que são potencialmente úteis em condições como a doença de Parkinson e lesões isquêmicas. Este cruzamento de nanomateriais e os sinais de saúde estão despertando interesse na possível versatilidade médica do silício.
Trabalho Futuro e Potencial
Embora promissora, a implantação de nanomateriais de silício no mundo actual enfrenta os desafios habituais; Aumentar a síntese, reduzir os insumos energéticos e garantir a estabilidade a longo prazo continuam a ser prioridades.
Curiosamente, o estudo distingue entre a geração irreversível de hidrogênio através da oxidação do silício e a produção reversível de hidrogênio em sistemas fotoeletroquímicos, importante para o projeto de sistemas futuros.
As descobertas posicionam as nanoestruturas de silício como uma plataforma flexível e potencialmente escalável para armazenamento de hidrogênio e produção sob demanda. Seja em drones, eletrônicos portáteis ou até mesmo em dispositivos médicos, a versatilidade do materials pode ser uma ponte muito necessária entre a energia sustentável e o uso prático.
Referência do diário
Mussabek, G., e outros. (2025, outubro). Nanoestruturas de Silício para Geração e Armazenamento de Hidrogênio. Nanomateriais, 15(19), 1531. DOI: 10.3390/nano15191531, https://www.mdpi.com/2079-4991/15/19/1531