Químicos reciclam resíduos de camarão como catalisador para a geração de hidrogênio – Strong The One

Desde 2020, o grupo Heterogeneous Catalysis & Sustainable Chemistry do Van ‘t Hoff Institute for Molecular Sciences da UvA trabalha no uso de sais de borohidreto de metal alcalino como futuros transportadores de hidrogênio. Esses sais sólidos podem ser armazenados com segurança no ar em condições ambientais e liberam gás hidrogênio somente quando reagem com água. No entanto, controlar a liberação de hidrogênio e, assim, evitar reações descontroladas, é um desafio. Uma solução é estabilizar a solução com uma base e controlar a liberação de hidrogênio usando um catalisador. A equipe UvA, liderada pelo Prof. Gadi Rothenberg, está desenvolvendo tais catalisadores em colaboração com o Centro Austríaco de Competência para Tribologia (AC2T) e a empresa Electriq Global.

O hidrogênio destrói as partículas do catalisador

Encontrar potenciais catalisadores é fácil, mas fazê-los funcionar por tempo suficiente para serem comercialmente viáveis ​​não é. A combinação de alto pH de reação e uma liberação contínua de bolhas de hidrogênio destrói os catalisadores tradicionais em poucos dias. Por exemplo, a equipe conseguiu projetar partículas de catalisador contendo cobalto altamente ativas e seletivas. A alta atividade, no entanto, resulta em grandes volumes de hidrogênio que rapidamente destroem as partículas.

A descoberta ocorreu durante o chamado experimento Friday Afternoon, quando o estudante de mestrado Jeffrey Jonk e a estudante de doutorado Fran Pope decidiram tentar encapsular partículas de cobalto em esferas de quitosana. A quitosana é um polímero natural que pode ser produzido a partir da quitina, o principal componente dos exoesqueletos de insetos e conchas de crustáceos. É um material biodegradável e biocompatível amplamente disponível em escala de várias toneladas, produzido principalmente a partir de resíduos de casca de camarão e caranguejo.

Os grupos amina recorrentes no esqueleto da quitosana a tornam altamente solúvel em soluções aquosas ácidas, mas pouco solúvel em soluções básicas. As esferas de quitosana podem, portanto, ser produzidas com relativa facilidade, deixando cair a quitosana líquida em uma solução básica. Uma propriedade crucial das esferas de quitosana é sua flexibilidade, que permite que elas se expandam durante a geração de hidrogênio. Eles podem, assim, “expirar” as bolhas de hidrogênio sem quebrar. E como são feitos em pH alto, a basicidade da solução de borohidreto não apresenta problemas.

Potencial da vida real para catalisadores à base de quitosana

A equipe testou os novos catalisadores nos modos batelada e contínuo, monitorando as reações medindo o fluxo de hidrogênio gerado. Algumas esferas de alguns milímetros carregadas com 7% de cobalto foram suficientes para gerar 40 mL de hidrogênio por minuto em um reator contínuo por dois dias, mostrando o potencial real desse novo catalisador.

Segundo Rothenberg, o trabalho destaca a importância da estabilidade do catalisador como foco de pesquisa. “Muitos artigos se concentram na atividade e na seletividade, porque os periódicos se concentraram na publicação de resultados espetaculares”, diz ele. “No entanto, se você olhar para a indústria química, nenhum desses catalisadores “espetaculares” é usado na prática. A razão é que executar uma reação bem-sucedida por algumas horas, ou mesmo alguns dias, não significa nada para processos em larga escala. Um verdadeiro catalisador deve funcionar por meses e anos para ser economicamente viável. Ainda não chegamos lá.”

O hidrogênio pode ser o portador de energia do futuro, mas vem com seu próprio conjunto de desafios. Quando armazenado como um gás comprimido ou na forma líquida, o hidrogênio molecular, H₂, é altamente intensivo em energia. Isso é uma vantagem em algumas aplicações, mas uma preocupação de segurança em outras. Para armazenamento e liberação em média escala em instalações móveis, como guindastes, navios e geradores, são preferíveis outros modos de armazenamento de hidrogênio. Existem muitas formas de transportadores de hidrogênio. Exemplos de alta capacidade de armazenamento de hidrogênio incluem amônia, metanol, ácido fórmico e outros. No entanto, cada um tem seus prós e contras. O metanol tem alta capacidade (12,5% em peso), mas a desidrogenação requer altas temperaturas e também pode emitir CO₂. A amônia pode contaminar o H₂ fluxos gerados e é um gás tóxico em condições ambientais. Como alternativa, borohidretos alcalinos podem fornecer uma fonte segura de hidrogênio, ligando-o quimicamente como um sal sólido. Uma reação com água libera o hidrogênio, e o subproduto do sal metaborato resultante pode ser reprocessado e reaproveitado para armazenamento de hidrogênio.