A busca por fontes de energia limpas e sustentáveis ganhou novos aliados em duas pesquisas recentes que, embora tenham investigado materiais e aplicações distintas, compartilham uma mesma inovação tecnológica: o uso da técnica de “magnetron sputtering” para depositar catalisadores com elevado grau de controle estrutural. Os resultados representam avanços significativos para a produção de hidrogênio verde, considerado por especialistas uma das alternativas mais promissoras para reduzir a dependência dos combustíveis fósseis e combater as mudanças climáticas.
Os dois estudos, liderados por pesquisadores do IFSC/USP, demonstram que a mesma técnica pode ser utilizada para construir arquiteturas catalíticas completamente diferentes. Em um dos trabalhos, os pesquisadores desenvolveram fotoânodos de vanadato de bismuto (BiVO₄) modificados com óxido de cobalto (Co₃O₄) para aumentar a eficiência da divisão fotoeletroquímica da água. No outro, átomos isolados (Single Atoms) de cobre e platina foram depositados sobre nitreto de carbono grafítico (g-C₃N₄), criando sítios catalíticos altamente ativos para a produção fotocatalítica de hidrogênio. Em ambos os casos, o objetivo foi o mesmo: aproveitar a energia solar para gerar combustível limpo de maneira mais eficiente.
O hidrogênio produzido a partir da água e da luz solar tem sido apontado como um elemento fundamental na descarbonização da economia mundial. Diferentemente do petróleo, do carvão mineral e do gás natural, sua utilização não gera emissões de dióxido de carbono (CO₂), principal responsável pelo aquecimento global. Quando empregado em células a combustível ou processos industriais, o hidrogênio produz apenas vapor d’água como subproduto, tornando-se uma alternativa ambientalmente muito mais favorável.
No primeiro estudo, o foco foi superar uma das principais limitações da divisão fotoeletroquímica da água: a baixa eficiência dos fotoânodos responsáveis pela reação de evolução de oxigênio. Para isso, os pesquisadores produziram filmes finos de BiVO₄ por “magnetron sputtering” e, posteriormente, modificaram sua superfície com Co₃O₄. A combinação dos dois materiais favoreceu a separação das cargas elétricas geradas pela luz solar e reduziu perdas energéticas decorrentes da recombinação de elétrons e lacunas. Como resultado, houve aumento significativo da fotocorrente e melhoria da eficiência de conversão da energia solar em energia química armazenada no hidrogênio.
Já a segunda pesquisa levou o conceito de engenharia de materiais a um nível ainda mais refinado. Utilizando a mesma tecnologia de “sputtering”, os cientistas conseguiram dispersar átomos individuais de cobre e platina sobre a superfície do g-C₃N₄. Essa estratégia maximiza o aproveitamento dos metais, especialmente da platina, um elemento de alto valor comercial. Cada átomo depositado torna-se um centro ativo para a reação química, aumentando drasticamente a eficiência do processo sem exigir grandes quantidades do material. Os resultados mostraram uma produção de hidrogênio centenas de vezes superior à obtida com o material não modificado.
Os benefícios para a sociedade
Além dos avanços científicos, as pesquisas apresentam benefícios concretos para a sociedade. A ampliação da eficiência dos processos de produção de hidrogênio pode contribuir para reduzir custos futuros dessa tecnologia, tornando-a mais acessível para aplicações em transporte, geração de energia e indústria pesada. Setores como siderurgia, produção de fertilizantes, refino de combustíveis e transporte de cargas estão entre os maiores emissores de gases de efeito estufa e figuram entre os principais candidatos a utilizar hidrogênio verde em larga escala.
Outro aspecto relevante é a segurança energética. Ao possibilitar a produção de combustível a partir da água e da luz solar, tecnologias desse tipo diminuem a dependência de recursos fósseis concentrados em regiões específicas do planeta. Países com elevada incidência solar, como o Brasil, passam a ter condições privilegiadas para produzir hidrogênio de forma competitiva, fortalecendo sua autonomia energética e criando novas oportunidades econômicas.
Do ponto de vista ambiental, os impactos potenciais são igualmente expressivos. A substituição gradual de combustíveis fósseis por hidrogênio verde pode reduzir significativamente as emissões globais de carbono, contribuir para o cumprimento das metas climáticas internacionais e melhorar a qualidade do ar nos centros urbanos. A redução de poluentes atmosféricos está diretamente associada à diminuição de doenças respiratórias e cardiovasculares, gerando benefícios também para a saúde pública.
As duas pesquisas evidenciam ainda uma tendência crescente na ciência contemporânea: a importância da engenharia de materiais em escala nanométrica. O “magnetron sputtering”, tradicionalmente utilizado na fabricação de semicondutores e revestimentos industriais, mostra-se agora uma ferramenta estratégica para a construção de catalisadores avançados, capazes de controlar a matéria desde filmes finos até átomos isolados. Essa versatilidade abre caminho para o desenvolvimento de novas gerações de dispositivos voltados à produção sustentável de energia.
Mais do que desenvolver novos materiais para a produção de hidrogênio verde, esses trabalhos demonstram o potencial de uma tecnologia que pode acelerar a chegada dessas soluções ao mercado. A técnica de deposição por “sputtering”, que é amplamente utilizada pela indústria na fabricação de semicondutores, telas eletrônicas e revestimentos avançados, permite depositar materiais com precisão nanométrica, controlando sua estrutura desde filmes finos até átomos isolados.
Uma transição energética global
Segundo o professor Renato Vitalino Gonçalves, do IFSC/USP e coordenador das pesquisas, um dos grandes desafios da área é desenvolver materiais semicondutores que combinem alta eficiência, estabilidade e viabilidade de produção em larga escala. “Os resultados mostram que é possível utilizar uma mesma tecnologia para criar diferentes arquiteturas catalíticas altamente eficientes para a produção de hidrogênio a partir da energia solar. Isso abre novas perspectivas para o desenvolvimento de dispositivos mais eficientes e duráveis”, destaca.
O pesquisador ressalta ainda que o “magnetron sputtering” apresenta uma vantagem estratégica em relação a muitos métodos utilizados apenas em escala laboratorial. “Trata-se de um processo de deposição física de vapor já consolidado industrialmente, empregado em larga escala em diversos setores tecnológicos. O fato de conseguirmos utilizá-lo para fabricar tanto filmes finos fotoativos quanto catalisadores de átomos isolados, torna essa tecnologia extremamente promissora para a futura produção de materiais avançados voltados à geração sustentável de energia”, acrescenta.
Para Gonçalves, a combinação entre controle preciso da matéria em escala atômica e a possibilidade de escalonamento industrial pode representar um importante passo para transformar descobertas científicas em tecnologias capazes de contribuir efetivamente para a transição energética global. Destacando que os avanços obtidos não são resultado apenas do desenvolvimento de novos materiais, mas também da construção de uma ampla rede de colaboração científica e do apoio contínuo à pesquisa básica e aplicada, o Prof. Renato Vitalino Gonçalves afirma: “Esses resultados são fruto de um trabalho coletivo que envolve alunos de graduação e pós-graduação, pós-doutorandos e colaboradores nacionais e internacionais. A ciência moderna é cada vez mais colaborativa, e avanços como esses somente são possíveis graças à dedicação de toda a equipe e à integração de diferentes competências científicas. Também é importante reconhecer o papel fundamental das agências de fomento e das instituições que apoiam a pesquisa no Brasil. Gostaria de agradecer especialmente à FAPESP, por meio de projetos individuais e, mais recentemente, do CEPID CEMol, ao CNPq e à USP. Esse apoio tem sido essencial para a consolidação das nossas pesquisas, para a aquisição de infraestrutura avançada e para a formação de recursos humanos altamente qualificados, que serão responsáveis por desenvolver as tecnologias energéticas do futuro”, conclui o pesquisador.
Em um cenário global marcado pela urgência da transição energética e pela necessidade de reduzir emissões de carbono, avanços como esses representam passos importantes rumo a uma sociedade mais sustentável, resiliente e ambientalmente responsável.
Acesse o link para conferir a pesquisa – Synergistic Co3O4 Surface Engineering of BiVO4 Photoanodes for Enhanced Photoelectrochemical Water Splitting (ACS Applied Energy Materials)
Acesse o link para conferir a pesquisa – Solar Hydrogen Evolution Boosted by Cu and Pt Single-Atom Sites Anchored on g-C3N4 via Magnetron Sputtering Deposition
