Design and evaluation of a low-cost photoelectrolyser by vat polymerization for green hydrogen production (2026)
- Authors:
- Autor USP: VIEIRA, GABRIEL NATULINI - EESC
- Unidade: EESC
- Sigla do Departamento: SMM
- DOI: 10.11606/D.18.2026.tde-13032026-105835
- Subjects: HIDROGÊNIO; SUSTENTABILIDADE; ELETRÓLISE; POLIMERIZAÇÃO
- Keywords: escalonamento; fotoeletrolisador; hidrogênio verde
- Agências de fomento:
- Language: Inglês
- Abstract: A crescente demanda global por energia, impulsionada pelo aumento populacional e pelos avanços em saúde e padrões de vida, está intrinsecamente vinculada ao índice de progresso social. À medida que o consumo de energia per capita se eleva, historicamente dependente de combustíveis fósseis, intensificando as emissões de gases de efeito estufa e a instabilidade climática, surge a necessidade urgente de ampliar e transicionar para sistemas de energia renovável, com o hidrogênio verde despontando como um vetor energético para uma sociedade ao menos neutra em carbono. Entretanto, a maior parte da produção de hidrogênio ainda depende de fontes fósseis, o que demanda alternativas solares possivelmente escaláveis para o futuro, como as reações fotoeletroquímicas (PEC) de divisão da água aliadas ao desenvolvimento de reatores que vão além da capacidade laboratorial. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um fotoeletrolisador modular viável para escalonamento, fabricado por impressão 3D via polimerização em cuba e projetado com o auxílio da Casa da Qualidade (CQ) para tomada de decisão estruturada e da Análise de Modos e Efeitos de Falha (FMEA) para identificar e corrigir fragilidades críticas do projeto. O reator utiliza fotoanodos de vanadato de bismuto, em sua forma pura e modificada com cobalto (BiVO4 e BiVO4/Co), e aço inoxidável 316L como contraeletrodo. O protótipo inicial apresentou contato elétrico pouco preciso e espaçamento excessivo entre eletrodos (46 mm), limitando o desempenho a 0,42 mA cm-2. Uma reformulação posterior, ao nível de prova de conceito, reduziu o espaçamento para 22,5 mm e introduziu fiação externa de cobre, elevando a densidade fotocorrente do sistema modular de 17 cm2 de BiVO4 puro para 1,18 mA cm-2, um aumento de 2,8 vezes. Após ajustes finais guiados pela FMEA, obteve-se um produto mínimo viável escalonável, com espaçamento de 37,0 mm, que atingiu 1,06 mA cm-2 utilizando fotoanodosBiVO4/Co otimizados, operando em sua capacidade máxima. O sistema foi capaz de alimentar um cromatógrafo gasoso com 32 mL de H2 em 6 horas de cronoamperometria, permitindo estimar a capacidade de um modelo escalonado a uma área fotoativa de 144 cm2, totalizando uma produção com cerca de 250 mL de H2 no mesmo período. O reator demonstrou ser funcional, de baixo custo, altamente 10 escalonável, com possibilidade de otimização adicional por meio de simulações CFD, potencializando o desempenho dessa tecnologia.
- Imprenta:
- Publisher place: São Carlos
- Date published: 2026
- Data da defesa: 04.02.2026
- Status:
- Nenhuma versão em acesso aberto identificada
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ABNT
VIEIRA, Gabriel Natulini. Design and evaluation of a low-cost photoelectrolyser by vat polymerization for green hydrogen production. 2026. Dissertação (Mestrado) – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2026. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18158/tde-13032026-105835/. Acesso em: 01 abr. 2026. -
APA
Vieira, G. N. (2026). Design and evaluation of a low-cost photoelectrolyser by vat polymerization for green hydrogen production (Dissertação (Mestrado). Universidade de São Paulo, São Carlos. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18158/tde-13032026-105835/ -
NLM
Vieira GN. Design and evaluation of a low-cost photoelectrolyser by vat polymerization for green hydrogen production [Internet]. 2026 ;[citado 2026 abr. 01 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18158/tde-13032026-105835/ -
Vancouver
Vieira GN. Design and evaluation of a low-cost photoelectrolyser by vat polymerization for green hydrogen production [Internet]. 2026 ;[citado 2026 abr. 01 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18158/tde-13032026-105835/ - Development of a photoelectrolyser MVP for upscaled green hydrogen production: beyond the laboratory bench scale
- Estudo da atividade fotocatalítica do BiVO4 no processo de fotoconversão do CO2 em combustíveis de interesse mercadológico
- Evolução fotocatalítica do CO2 sob emissão de luz UV-visível em nanopartículas de BiVO4 produzidas via síntese hidrotermal
- Manufacturing of a photo-electrolyzer for large scale production of green hydrogen.
- Development of BIVO4 particles with exposed facets to boost light-driven co2 reduction into solar fuels
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