Pesquisadores de Oregon State University desenvolvem catalisadores avançados para produção limpa de hidrogênio

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29/01/2022 as 16:30
De olho na Engenharia
Pesquisadores de Oregon State University desenvolvem catalisadores avançados para produção limpa de hidrogênio

A pesquisa da Oregon State University sobre o projeto de catalisadores mostrou que o hidrogênio pode ser produzido de forma limpa com muito mais eficiência e a um custo mais baixo do que é possível com os atuais catalisadores disponíveis no mercado.

Um catalisador é uma substância que aumenta a taxa de uma reação química sem sofrer qualquer alteração química permanente.

As descobertas são significativas porque a produção de hidrogênio é importante para “muitos aspectos de nossa vida, como células de combustível para carros e a fabricação de muitos produtos químicos úteis, como amônia”, disse Zhenxing Feng da Faculdade de Engenharia da OSU, professor de engenharia química quem liderou a pesquisa. “Ele também é usado no refino de metais, para a produção de materiais artificiais, como plásticos, e para uma série de outros fins.”

A produção de hidrogênio pela divisão da água por meio de um processo catalítico eletroquímico é mais limpa e sustentável do que o método convencional de derivar hidrogênio do gás natural por meio de um processo de produção de dióxido de carbono conhecido como reforma de metano-vapor, disse Feng. Mas o custo da técnica mais verde tem sido uma barreira no mercado.

As novas descobertas, que descrevem maneiras de projetar catalisadores que podem melhorar muito a eficiência do processo de produção de hidrogênio limpo, foram publicadas na Science Advances e JACS Au.

Ao facilitar os processos de reação, os catalisadores costumam sofrer mudanças estruturais, disse Feng. Às vezes, as mudanças são reversíveis, outras vezes irreversíveis, e acredita-se que a reestruturação irreversível degrada a estabilidade do catalisador, levando a uma perda da atividade catalítica que diminui a eficiência da reação.

Feng, OSU Ph.D. o aluno Maoyu Wang e colaboradores estudaram a reestruturação de catalisadores na reação e, em seguida, manipularam sua estrutura e composição de superfície em escala atômica para obter um processo catalítico altamente eficiente para a produção de hidrogênio.

Uma fase ativa de um catalisador baseado em hidróxido de irídio amorfo exibiu eficiência 150 vezes maior que sua estrutura original de perovskita e quase três ordens de magnitude melhor do que o catalisador comercial comum, óxido de irídio.

“Encontramos pelo menos dois grupos de materiais que passam por mudanças irreversíveis que se revelaram catalisadores significativamente melhores para a produção de hidrogênio”, disse Feng. “Isso pode nos ajudar a produzir hidrogênio a US$ 2 por quilograma e, eventualmente, US$ 1 por quilograma. Isso é menos caro do que o processo poluente nas indústrias atuais e ajudará a atingir a meta dos Estados Unidos de emissão zero até 2030.”

Feng observa que o Departamento de Energia, Hidrogênio e Escritório de Tecnologias de Células de Combustível dos Estados Unidos estabeleceu padrões de referência de tecnologias que podem produzir hidrogênio limpo a US$ 2 por quilo até 2025 e US$ 1 por quilo até 2030 como parte da meta do Hydrogen Energy Earthshot de cortar custos de energia limpa hidrogênio em 80%, de $5 a $1 por quilograma, em uma década.

A tecnologia de eletrólise da água para a produção de hidrogênio limpo na qual o grupo de Feng se concentra usa eletricidade de fontes renováveis para dividir a água para produzir hidrogênio limpo. No entanto, a eficiência da divisão da água é baixa, disse ele, principalmente devido ao alto sobrepotencial – a diferença entre o potencial real e o potencial teórico de uma reação eletroquímica – de uma meia-reação chave no processo, a reação de evolução de oxigênio ou REA.

“Os catalisadores são essenciais para promover a reação de divisão da água, reduzindo o excesso de potencial e, portanto, reduzindo o custo total para a produção de hidrogênio”, disse Feng. “Nosso primeiro estudo em JACS Au estabeleceu a base para nós e, conforme demonstrado em nosso artigo da Science Advances, agora podemos manipular melhor os átomos na superfície para projetar catalisadores com a estrutura e composição desejadas.”

Fonte: Engenharia é