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Criar uma economia de hidrogênio não é tarefa fácil, mas os engenheiros da Rice University descobriram um método que pode tornar a catálise da evolução do oxigênio em ácidos, um dos tópicos mais desafiadores na eletrólise da água para a produção de combustíveis limpos de hidrogênio, mais econômico e prático.
O laboratório do engenheiro químico e biomolecular Haotian Wang da Escola de Engenharia George R. Brown de Rice substituiu o irídio raro e caro por rutênio, um metal precioso muito mais abundante, como o catalisador de eletrodo positivo em um reator que divide a água em hidrogênio e oxigênio .
A adição bem-sucedida do laboratório de níquel ao dióxido de rutênio (RuO2) resultou em um catalisador anódico robusto que produziu hidrogênio a partir da eletrólise da água por milhares de horas em condições ambientais.
“Há um enorme interesse da indústria em hidrogênio limpo”, disse Wang. “É um importante transportador de energia e também importante para a fabricação de produtos químicos, mas sua produção atual contribui com uma parcela significativa das emissões de carbono no setor de fabricação de produtos químicos em todo o mundo. Queremos produzi-lo de maneira mais sustentável, e a divisão de água usando eletricidade limpa é amplamente reconhecida como a opção mais promissora.”
O irídio custa cerca de oito vezes mais do que o rutênio, disse ele, e pode representar de 20% a 40% das despesas na fabricação de dispositivos comerciais, especialmente em futuras implantações em larga escala.
O processo desenvolvido por Wang, o associado de pós-doutorado de Rice Zhen-Yu Wu e o estudante de pós-graduação Feng-Yang Chen e colegas da Universidade de Pittsburgh e da Universidade da Virgínia é detalhado em Materiais da Natureza.
A divisão da água envolve as reações de evolução de oxigênio e hidrogênio pelas quais os catalisadores polarizados reorganizam as moléculas de água para liberar oxigênio e hidrogênio. “O hidrogênio é produzido pelo cátodo, que é um eletrodo negativo”, disse Wu. “Ao mesmo tempo, ele precisa equilibrar a carga oxidando a água para gerar oxigênio no lado do ânodo”.
“O cátodo é muito estável e não é um grande problema, mas o ânodo é mais propenso à corrosão ao usar um eletrólito ácido”, disse Chen. “Metais de transição comumente usados como manganês, ferro, níquel e cobalto são oxidados e se dissolvem no eletrólito.
“É por isso que o único material prático usado em eletrolisadores comerciais de água com membrana de troca de prótons é o irídio”, disse ele. “É estável por dezenas de milhares de horas, mas é muito caro.”
Partindo para encontrar um substituto, o laboratório de Wang estabeleceu o dióxido de rutênio para sua atividade conhecida, dopando-o com níquel, um dos vários metais testados.
Os pesquisadores demonstraram que o RuO ultrapequeno e altamente cristalino2 nanopartículas com dopantes de níquel, usadas no ânodo, facilitaram a separação da água por mais de 1.000 horas a uma densidade de corrente de 200 miliamperes por centímetro quadrado com degradação insignificante.
Eles testaram seus ânodos contra outros de dióxido de rutênio puro que catalisaram a eletrólise da água por algumas centenas de horas antes de começarem a se decompor.
O laboratório está trabalhando para melhorar seu catalisador de rutênio para se encaixar nos processos industriais atuais. “Agora que atingimos esse marco de estabilidade, nosso desafio é aumentar a densidade atual em pelo menos cinco a 10 vezes, mantendo esse tipo de estabilidade”, disse Wang. “Isso é muito desafiador, mas ainda possível.”
Ele vê a necessidade como urgente. “A produção anual de irídio não nos ajudará a produzir a quantidade de hidrogênio que precisamos hoje”, disse Wang. “Mesmo usando todo o irídio produzido globalmente simplesmente não gerará a quantidade de hidrogênio que precisaremos se quisermos que seja produzido por meio da eletrólise da água.
“Isso significa que não podemos confiar totalmente no irídio”, disse ele. “Temos que desenvolver novos catalisadores para reduzir seu uso ou eliminá-lo completamente do processo”.
Boyang Li, da Universidade de Pittsburgh, é co-autor principal do artigo. Os co-autores são Peng Zhu, estudante de pós-graduação de Rice; estudante de pós-graduação Shen-Wei Yu na Virgínia; o físico Zou Finfrock do Laboratório Nacional de Argonne; a cientista Debora Motta Meira de Argonne e Canadian Light Source; O ex-aluno da Virgínia Zhouyang Yin; e Qiang-Qiang Yan, Ming-Xi Chen, Tian-Wei Song e Hai-Wei Liang da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, Hefei. Os autores correspondentes são Sen Zhang, professor associado de química na Virgínia, e Guofeng Wang, professor de ciência mecânica e de materiais em Pittsburgh. Haotian Wang é o William Marsh Trustee Chair da Rice e professor assistente de engenharia química e biomolecular.
A pesquisa foi apoiada pela Welch Foundation (C-2051-20200401), David and Lucile Packard Foundation (2020-71371), Roy E. Campbell Faculty Development Award, National Science Foundation (1905572, 2004808), University of Pittsburgh Center for Research Computing e Advanced Photon Source do Argonne National Laboratory.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade do Arroz. Original escrito por Mike Williams. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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