ITA 2026 (2ª fase) — Questão 7

Uma célula fotoeletroquímica utiliza um semicondutor sensível à luz como eletrodo fotoativo, capaz de promover a decomposição da água pela energia luminosa, gerando hidrogênio ($\mathrm{H_2}$) no cátodo e oxigênio ($\mathrm{O_2}$) no ânodo:

$\mathrm{2H_2O(l) \rightarrow 2H_2(g) + O_2(g)} \qquad \Delta H^\circ = +572\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}.$

O semicondutor absorve luz com comprimento de onda máximo de 450 nm. A energia dessa luz é utilizada para excitar elétrons e iniciar a reação de oxirredução da água. Suponha que cada fóton absorvido gere um elétron.

a) Escreva as semirreações que ocorrem no cátodo e no ânodo durante a decomposição da água.

b) Sabendo que o semicondutor absorve luz com comprimento de onda igual a 450 nm, determine o valor numérico da energia fornecida pela luz no processo fotoeletroquímico para gerar 1 mol de $\mathrm{H_2}$ pela decomposição da água.

c) Suponha que a célula receba uma potência luminosa de 10 $\mathrm{W \cdot m^{-2}}$ durante 1 hora, com fótons de 450 nm incidindo em uma área de 0,2 m². Determine o valor numérico da quantidade máxima de $\mathrm{H_2}$, em mols, que poderia ser gerada nesse tempo, assumindo eficiência quântica de 100%.

d) Sabendo que o tanque de um carro movido a hidrogênio armazena 5,65 kg de $\mathrm{H_2}$ comprimido a 700 bar, determine o valor numérico da energia mínima necessária para gerar essa quantidade de gás pela fotodecomposição da água, utilizando o semicondutor. Despreze os efeitos da alta pressão.

e) Determine o valor numérico do comprimento de onda máximo, em nm, que um semicondutor deveria absorver para que, de forma hipotética, a energia da luz incidente seja suficiente para gerar 5,65 kg de $\mathrm{H_2}$, igualando a energia liberada na combustão dessa mesma quantidade de gás. Considere que não há perdas energéticas no processo e que existe uma proporção 1:1 entre elétrons e fótons.