Extraindo um combustível limpo da água

Mar 15, 2023

Um suprimento abundante de energia limpa está à espreita. É o hidrogênio que podemos extrair da água (H2O) usando energia renovável. Os cientistas estão buscando métodos de baixo custo para produzir hidrogênio limpo a partir da água para substituir os combustíveis fósseis, como parte da busca para combater as mudanças climáticas.

O hidrogênio pode alimentar veículos enquanto emite nada além de água. O hidrogênio também é um produto químico importante para muitos processos industriais, principalmente na fabricação de aço e na produção de amônia. O uso de hidrogênio mais limpo é altamente desejável nessas indústrias.

Uma equipe multi-institucional liderada pelo Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE)desenvolveu um catalisador de baixo custo para um processo que produz hidrogênio limpo da água. Outros colaboradores incluem Sandia National Laboratories e Lawrence Berkeley National Laboratory do DOE, bem como Giner Inc.

"Um processo chamado eletrólise produz hidrogênio e oxigênio da água e existe há mais de um século", disse Di-Jia Liu, químico sênior da Argonne. Ele também tem um cargo conjunto na Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago.

Os eletrolisadores de membrana de troca de prótons (PEM) representam uma nova geração de tecnologia para este processo. Eles podem dividir a água em hidrogênio e oxigênio com maior eficiência perto da temperatura ambiente. A demanda reduzida de energia os torna uma escolha ideal para a produção de hidrogênio limpo usando fontes renováveis, mas intermitentes, como solar e eólica.

Este eletrolisador funciona com catalisadores separados para cada um de seus eletrodos (cátodo e ânodo). O catalisador catódico produz hidrogênio, enquanto o catalisador anódico forma oxigênio. Um problema é que o catalisador anódico usa irídio, que tem um preço de mercado atual de cerca de US$ 5.000 a onça. A falta de suprimento e o alto custo do irídio representam uma grande barreira para a adoção generalizada de eletrolisadores PEM.

O principal ingrediente do novo catalisador é o cobalto, que é substancialmente mais barato que o irídio. "Procuramos desenvolver um catalisador de ânodo de baixo custo em um eletrolisador PEM que gera hidrogênio em alto rendimento enquanto consome o mínimo de energia", disse Liu. "Ao usar o catalisador à base de cobalto preparado por nosso método, pode-se remover o principal gargalo de custo para produzir hidrogênio limpo em um eletrolisador."

Giner Inc., uma empresa líder em pesquisa e desenvolvimento que trabalha para a comercialização de eletrolisadores e células de combustível, avaliou o novo catalisador usando suas estações de teste de eletrolisador PEM sob condições de operação industrial. O desempenho e a durabilidade excederam em muito os catalisadores dos concorrentes.

Importante para avançar ainda mais o desempenho do catalisador é entender o mecanismo de reação em escala atômica sob condições de operação do eletrolisador. A equipe decifrou mudanças estruturais críticas que ocorrem no catalisador sob condições operacionais usando análises de raios-X na Advanced Photon Source (APS) em Argonne. Eles também identificaram as principais características do catalisador usando microscopia eletrônica no Sandia Labs e no Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) de Argonne. O APS e o CNM são instalações de usuários do DOE Office of Science.

"Nós visualizamos a estrutura atômica na superfície do novo catalisador em vários estágios de preparação", disse Jianguo Wen, um cientista de materiais de Argonne.

Além disso, a modelagem computacional no Berkeley Lab revelou informações importantes sobre a durabilidade do catalisador sob condições de reação.

A conquista da equipe é um passo à frente na iniciativa Hydrogen Energy Earthshot do DOE, que imita o "Moon Shot" do programa espacial dos EUA da década de 1960. Seu objetivo ambicioso é reduzir o custo da produção de hidrogênio verde para um dólar por quilo em uma década. A produção de hidrogênio verde a esse custo poderia remodelar a economia do país. As aplicações incluem a rede elétrica, fabricação, transporte e aquecimento residencial e comercial.

"De modo geral, nossos resultados estabelecem um caminho promissor na substituição de catalisadores feitos de metais preciosos caros por elementos muito menos caros e mais abundantes", observou Liu.